反铁磁体具有无宏观净余磁矩和无杂散磁场的特点，并且其本征共振频率处于太赫兹(THz)范围，因而在研发抗外磁场干扰、高稳定性、高密度和高速度的新一代磁随机存储器MRAM等自旋电子器件方面具有重要应用前景。反铁磁材料根据自旋排列方式可以分为共线和非共线两类。相比于拥有多个磁易轴的非共线反铁磁体，共线反铁磁体的奈尔矢量仅有两个稳定的存储状态，类似于铁磁体的两个向上和向下的磁矩方向，可以直接编码二进制信息“0”和“1”。此外，垂直磁化的共线反铁磁材料具有更高的磁各向异性势垒，因此拥有更长久和更稳定的存储能力。共线反铁磁体中相邻磁矩间强大的交换相互作用，也为超高速自旋电子器件提供了高频自旋动力学的特性。因此，利用自旋轨道力矩(Spin-Orbit Torque, SOT)实现共线反铁磁体奈尔矢量的180°翻转，是实现全电学信息写入的反铁磁存储器技术的重要物理基础。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学实验室M02课题组2023年首次实现了SOT驱动共线反铁磁绝缘体Cr2O3垂直Néel矢量的180°翻转。通过测量界面未补偿磁矩产生的反常霍尔电阻，可以有效读取Cr2O3的奈尔矢量方向。该项研究表明利用电流产生的SOT可以高效地驱动奈尔矢量180°翻转。在270K时临界翻转电流密度5.8×106 A/cm2，临界翻转电流比其它反铁磁绝缘体小一个数量级。此外，由于Cr2O3的本征频率在THz频段，他们在Cr2O3/Pt异质结器件中实现了超短电流脉冲下(6 ns)的奈尔矢量180°超快翻转。
同时还进一步在Y3Fe5O12/Cr2O3/Pt异质结器件中实现了Cr2O3的Néel矢量和YIG垂直磁矩的180°一致翻转。通过测量该体系的交换偏置效应，实验表明Y3Fe5O12和Cr2O3界面具有较强的交换耦合作用。当在Pt层施加电流时，电流翻转Cr2O3垂直奈尔矢量的同时会带动YIG磁化翻转。实验表明由于自旋轨道力矩作用在Cr2O3层，这证实了整个Cr2O3的Néel矢量的180°翻转，而非仅仅是未补偿的界面自旋。
利用这种通过反铁磁绝缘体媒介的自旋力矩实现垂直铁磁绝缘体磁矩翻转的物理机制，同时结合此前具有中国自主知识产权的新型磁子阀[PRL 120 (2018) 097205]、磁子结[PRB 98 (2018) 134426；Nature Electronics 3 (2020) 304]和磁子晶体管[PRB 93 (2016) 060403；PRL 132 (2024) 076701]等，为新一代磁子信息科学技术的开发和实际应用奠定了核心元件及其磁子器件物理基础。
相关研究成果以“Electrical switching of the perpendicular Néel order in a collinear antiferromagnet”为题发表在近期的《Nature Electronics》杂志上。M02组博士生何文卿和张天乙及清华大学的周永健同学为论文共同第一作者，其导师韩秀峰研究员以及万蔡华副研究员为共同通讯作者，其他合作者参与了器件制备、测试、理论分析和论文写作。该项工作受到了国家基金委重点基金项目、科技部重点研发项目和中国科学院的资助。
文章链接：URL: https://www.nature.com/articles/s41928-024-01248-3
图 1. YIG/Cr2O3/Pt异质结中SOT驱动奈尔矢量和垂直磁矩翻转。(a)YIG/Cr2O3/Pt异质结中反铁磁介导翻转示意图。(b)通过MOKE测量YIG(5)/Cr2O3(7)/Pt(3nm)异质结的磁滞回线。对于Cr2O3(7)/Pt(3nm)异质结，没有显示出MOKE磁滞回线信号。(c) 三层膜异质结中反常磁霍尔电阻的Hz依赖关系。(d) YIG(5)/Cr2O3(7)/Pt(3 nm)中电流诱导Rxy翻转。翻转极性取决于面内磁场方向。(e)电流脉冲序列。(f)正负电流脉冲之后YIG的MOKE信号变化。在±5mT面内辅助场下YIG磁化向上和向下清晰的变化，并且翻转极性相反。(f)对于对比样Cr2O3(7)/Pt(3nm)异质结中，没有检测到翻转信号。