自旋霍尔效应实现了电荷电流和自旋电流之间的有效转换，基于此的自旋轨道矩可以通过电流驱动磁翻转，是现代自旋电子学的关键领域。低功耗、定向性的磁翻转需要自旋电流的自旋极化方向与磁矩方向共线。然而，对称性限制自旋极化指向面内方向，不利于适用于高密度存储的垂直磁化磁存储单元翻转。这意味着更大的器件功耗，并且通常还需要外加磁场诱导的对称性破缺以实现定向性磁翻转。因此，如何调控自旋极化方向成为该领域亟需解决的科学问题，在磁随机存储器中有重要应用价值。
近日，清华大学微电子所南天翔助理教授，威斯康辛大学Chang-Beom Eom教授，联合内布拉斯加州立大学、康奈尔大学、牛津大学、美国能源部阿贡国家实验室、美国劳伦斯伯克利国家实验室、挪威科技大学、以及韩国浦项科技大学等研究团队，报道了利用非共线反铁磁性导致的对称性破缺，在具有三角形磁矩结构的反铁磁材料中成功实现了对自旋电流中自旋极化方向的调控，为反铁磁自旋电子器件的设计提供了新思路。该研究成果以 “Controlling spin current polarization through non-collinear antiferromagnetism”为题发表在Nature Communications上。
图1. Mn3GaN材料的晶体、自旋结构以及其非常规自旋霍尔效应的理论计算。
图2. Mn3GaN/Py外延异质结。
在常规的自旋霍尔效应中，对称性要求电荷电流、自旋电流和自旋极化方向互相垂直。降低自旋电流源材料的对称性，有可能使自旋极化方向发生偏移。结合对称性分析和理论计算，作者实验发现反铁磁Mn3GaN中具有较大的非常规自旋霍尔效应/自旋轨道矩，即体系存在与电荷电流方向平行（面内x方向）或与自旋电流方向平行（面外z方向）的自旋极化，有别于常规自旋霍尔效应产生的自旋极化（指向面内y方向）。其中，面外自旋极化可以在零外加磁场条件下更有效的驱动垂直磁化翻转。
图3. 非常规自旋轨道矩的实验观测。
此前该团队曾在Science Advances上发表研究论文“Epitaxial antiperovskite/perovskite heterostructures for materials design”（6，eaba4017，2020），报道了反钙钛矿结构的Mn3GaN外延薄膜在几种钙钛矿氧化物衬底上的独特界面结构，并预测这种阻挫量子自旋材料由于其独特的对称性和自旋结构会在自旋电子器件中有很大的应用潜力。
图4. 自旋轨道矩在反铁磁-顺磁相变过程中的变化。
Mn3GaN的反铁磁矩呈三角形排列，这种非共线自旋结构可以有效降低体系对称性，产生的自旋电流具有三种不同的自旋极化方向（图一）。在高质量的Mn3GaN/坡莫合金外延异质结中（图二），作者通过自旋转矩铁磁共振实验成功观测、区分且分别量化了具有不同自旋极化方向的自旋轨道矩效率（图三）,并发现其与理论计算结果相吻合。在Mn3GaN材料反铁磁-顺磁相变过程中，结合中子衍射表征的自旋结构，作者发现随着非共线反铁磁性的消退，非常规自旋轨道矩消失（图四），进一步验证了反铁磁材料自旋结构和非常规自旋霍尔效应的强关联性。本文提出的通过对材料自旋结构设计控制自旋极化方向的策略为反铁磁自旋电子器件开辟了新的道路。
清华大学微电子所南天翔助理教授为论文第一作者，威斯康辛大学麦迪逊分校Chang-Beom Eom教授为论文通讯作者。
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