中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展强磁... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（SHMFF）是国家“十一五”重大科技基础设施，由中国科学院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学联合承建攻关。装置于2008年启动建设，2017年通过国家验收。验收专家组一致认为，SHMFF“磁体技术和综合性能达到国际领先水平”，标志... 更多简介 +
近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心低功耗量子材料研究团队邵定夫研究员、杜海峰研究员与合作者，在反铁磁自旋电子学理论研究方面取得重要进展。研究团队突破了基于宏观对称性与均匀自旋输运的传统观念，提出了基于“非对称自旋力矩 (Asymmetric Spin Torque)”的反铁磁奈尔矢量全电学调控普适理论。相关研究成果以“Deterministic Switching of the Néel Vector by Asymmetric Spin Torque”为题发表于物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters 136, 096702 (2026))。
随着后摩尔时代的到来，自旋电子学器件正向着更小尺寸、更高速度和更低功耗的方向发展。反铁磁材料因其宏观净磁化为零，具有无杂散场干扰和太赫兹（THz）频段超快动力学响应等本征优势，被视为开发下一代高密度、超快信息存储器件的理想候选体系。反铁磁器件实现信息读写的核心在于实现其序参量——奈尔矢量（Néel vector）的全电学确定性调控。然而，受限于反铁磁体系内部极强的交换耦合作用，奈尔矢量的全电学调控非常困难。过去提出的一些调控方案受限于严苛的对称性要求，仅在少数特定材料中得以实现。因此，针对广泛的共线反铁磁体提出一种普适的电学调控机制，是当前该领域亟待解决的关键难题。
邵定夫研究员团队长期致力于反铁磁自旋电子学的理论探索。此前，团队从实空间局域自旋输运的视角出发，先后预言了反铁磁体中的“奈尔自旋流”(Physical Review Letters 130, 216702 (2023))、单子晶格自旋输运的“X型反铁磁体”(Newton 1, 100068 (2025))以及完全依靠界面极化的自旋流(Newton 1, 100142 (2025))，系统揭示了反铁磁体在实空间的局域输运行为。在此基础之上，研究团队进一步指出：在真实的薄膜器件中，异质结界面的物理截断效应以及器件内部特定对称性的缺失，必然导致注入自旋在不同子晶格上产生不相等的局域自旋积累。这种非对称的自旋积累并非个例，而是广泛存在于各类共线反铁磁器件中的常态。
基于这一物理图像，研究团队首次建立并系统推导了基于“非对称自旋力矩”的反铁磁动力学理论。解析推导与宏观自旋动力学模拟一致表明，子晶格间自旋积累的微小不对称性，能够促使类阻尼型力矩(Damping-like torque)与类场力矩(Field-like torque)协同作用，有效打破传统对称机制下的动力学平衡，从而成功驱动奈尔矢量的确定性翻转。
研究进一步表明，根据注入自旋极化方向的不同，非对称自旋力矩在反铁磁体系中能够完全复现传统铁磁体中经典的调控模式(如自旋转移力矩STT和自旋轨道力矩SOT)。值得注意的是，在面内磁场辅助的SOT翻转模式中，理论模拟揭示了反铁磁体系的一项独特优势：不同于传统铁磁体的磁矩会被大磁场强行拉到磁场方向排列而导致翻转失效，反铁磁内部极强的交换耦合作用在此刻能够有效抵御大磁场的拉平效应，使得奈尔矢量翻转在超大辅助磁场下依然具备极高的稳定性。这一理论预言完美解释了中国科学院物理研究所韩秀峰研究员团队发表的实验结果(Nature Electronics 7, 975 (2024))——该实验证实了A 型反铁磁体 Cr2O3的垂直奈尔矢量，在高达 3 T 的巨大面内辅助磁场下依然能实现稳定的全电学 SOT 翻转。
非对称自旋力矩机制的建立为共线反铁磁体系的奈尔矢量调控提供了普适的理论方案，为连接传统铁磁自旋电子学与下一代反铁磁自旋电子学提供了切实可行的理论路径。研究结果不仅为开发不依赖特定对称性的通用型反铁磁写入技术提供了理论支撑，同时，也为自旋电子学器件在强磁场下的应用提供了理论基础，并为未来反铁磁体与奈尔矢量相关的新奇量子物性的探索开辟了新方向。
强磁场科学中心博士生张水森为论文第一作者，西安交通大学李博教授、强磁场科学中心杜海峰研究员和固体所邵定夫研究员为论文共同通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、中国科学院建制化科研平台项目以及中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/fkyr-z5b8
图1. 反铁磁体系中非对称自旋力矩(Asymmetric Spin Torque)的物理机制示意图。结合实空间子晶格的堆叠特性与界面截断效应，注入自旋流在反铁磁A、B子晶格上可以呈现出不平等的自旋积累现象。由此产生的非对称自旋力矩有效打破了动力学平衡，驱动奈尔矢量实现确定性翻转。
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