北航赵巍胜/彭守仲团队Matter综述：反铁磁材料的基础性质及前沿应用研究 | Cell Press对话科学家

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2025-11-25 17:04发布于北京CellPress细胞科学官方账号

物质科学

Physical science

自1970年诺贝尔物理学奖首次授予反铁磁性的基础理论研究以来，磁性材料研究持续推动信息技术发展。2007年，巨磁阻效应的发现荣获诺贝尔物理学奖，该效应被广泛应用于机械硬盘、磁传感器等领域，极大推动了大数据时代的到来。2021年，诺贝尔物理学奖授予自旋玻璃等复杂物理系统研究成果，再次彰显了复杂磁性体系在理解物理现象及推动现代社会发展中的深远影响。在此背景下，反铁磁材料凭借其杂散场弱、进动频率高和抗干扰性强等独特优势，成为近年来自旋电子学领域的研究热点。

近日，北京航空航天大学赵巍胜教授和彭守仲教授团队系统总结了反铁磁材料从基础原理到前沿应用的研究进展，2025年11月5日，该成果以“Antiferromagnetic materials: From fundamentals to applications”为题，发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上，博士研究生刘佳豪和芦家琪为共同第一作者。文章首先根据磁序与能带结构对反铁磁材料进行分类介绍，随后探讨了反铁磁/铁磁界面交换偏置场的形成机制及在数据存储与写入中的重要作用，介绍了反铁磁材料产生自旋轨道矩的基本原理及影响其效率的关键因素，阐述了交换偏置场及反铁磁磁序的调控机制，最后总结了反铁磁材料在自旋电子器件中的前沿应用进展，并创新性地提出了一种基于反铁磁器件的全自旋计算架构。

反铁磁材料的磁序结构及物理特性

反铁磁材料内部相邻磁矩交错排列，导致净磁矩相互抵消，因而对外不呈现宏观磁性。这一特性使其兼具杂散场弱、进动频率高、对外界磁扰动的抗干扰能力强等优势，成为了自旋电子学领域近年来的研究热点。反铁磁材料主要包括共线反铁磁（C-AFM）、非共线反铁磁（NC-AFM）及交错磁体（Altermagnet），如图1所示。利用角分辨光电子能谱（ARPES）和X射线磁圆二色谱（XMCD）等技术，能够观测非共线反铁磁与交错磁体的能带结构具有动量相关的自旋劈裂特性，使得反铁磁能够产生极化方向可控的自旋极化电流，利用该电流可以实现相邻铁磁层的高效电学翻转。此外，通过反常霍尔效应（AHE）、隧穿磁阻效应（TMR）等电学探测方法，可以有效读取反铁磁磁序结构，构建基于反铁磁的新型自旋电子器件。

图1 反铁磁的磁序结构与能带结构。

反铁磁与交换偏置场的探测及调控

交换偏置是反铁磁/铁磁界面处产生的一种单向磁各向异性，其强度受到晶体结构和界面结构等多种因素影响，X射线磁圆二色谱等实验证实交换偏置场来源于界面上的未补偿自旋。此外，反铁磁材料能够产生自旋轨道矩（SOT），可驱动相邻铁磁层磁化翻转。传统自旋轨道矩翻转垂直磁矩需外加面内磁场以打破对称性，而反铁磁/铁磁界面处的交换偏置场可替代该磁场。同时，空间对称性破缺的反铁磁材料能够产生面外极化的自旋极化电流，实现无外磁场辅助的垂直磁矩翻转，从而简化器件结构并提升集成度。最后，反铁磁材料产生自旋轨道矩效率受晶体取向、成分比例与退火条件等因素影响，通过优化薄膜结构与制备工艺，有望进一步提升基于反铁磁材料的自旋轨道矩器件性能。

交换偏置场能够通过电流、电压及光学等多种方式进行调控。自旋轨道矩能够驱动交换偏置场翻转，催生了基于交换偏置场实现数据存储的反铁磁隧道结器件；电场调控则通过压电应变或离子迁移等方式调控界面自旋结构，具有低能耗和可逆特性；飞秒激光可在皮秒尺度下实现交换偏置场的可逆翻转，展现出超快写入潜力。这些调控方式拓展了交换偏置场的应用场景，为实现高效、低功耗、全电控的反铁磁自旋电子器件提供了关键路径。然而，由于反铁磁材料的净磁矩近乎为零，其探测与调控方案长期面临挑战。近年研究发现，对称性破缺的反铁磁材料具有自旋劈裂能带结构，可产生反常霍尔效应和隧穿磁阻效应，为电学读取反铁磁磁序开辟了新途径。此外，利用自旋极化电流或门控电压能够翻转反铁磁磁序，为实现全反铁磁的自旋电子器件奠定了基础。

反铁磁在自旋电子器件中的前沿应用

反铁磁隧道结器件（AMTJ）利用反铁磁/铁磁层界面的强交换偏置场固定铁磁层的磁化方向，实现数据稳定存储；通过自旋轨道矩翻转交换偏置场及铁磁层磁矩，完成数据写入（图2A）。该结构具有抗强磁场干扰的特性，能够在更小尺寸器件中实现数据稳定存储。此外，将反铁磁材料产生的自旋轨道矩与界面交换偏置场结合，可实现无外磁场辅助的垂直磁矩翻转；同时，利用电压调控磁各向异性效应，能够显著降低数据写入时的能量势垒，实现压控自旋矩器件（VGSOT-MTJ）。最后，反铁磁材料对称性破缺的磁空间群能够产生隧穿磁阻效应，通过施加磁场或自旋极化电流，可以翻转其中一层反铁磁的极化方向，同时保持另一层反铁磁不变，从而实现数据写入。因此，能够利用反铁磁材料取代铁磁材料，构建基于反铁磁/势垒层/反铁磁结构的全反铁磁隧道结器件（AATJ）。

图2 反铁磁在前沿自旋电子器件中的应用。

总结与展望

文章创新性地提出了一种基于反铁磁的全自旋计算架构，如图2B所示，该架构兼具超低功耗、超快写入及高密度存储。其中，反铁磁隧道结器件具有抗强磁场干扰特性，可用于构建高密度、大容量的外部存储；压控自旋矩器件适用于频繁读写数据的主存，能够显著降低功耗；反铁磁隧道结器件具有超快信息处理能力，适用于高速缓存。反铁磁材料相关研究不仅推动了自旋电子学基础研究的发展，也促进了基于反铁磁的自旋电子器件的应用。随着材料制备与界面工程技术的不断进步，有望进一步提高基于反铁磁自旋电子器件的性能，在存储、逻辑及神经网络计算等领域实现从概念验证到实际应用的跨越，在物联网、数据中心及空间探测等场景中具有广阔的应用前景。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文团队成员赵巍胜教授进行了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

哪些因素促使您对反铁磁材料开展研究？

赵巍胜教授：

自上世纪30年代Néel开创反铁磁相关研究以来，反铁磁体系一直处在凝聚态物理研究的重要位置，同时展现出巨大的应用潜力。本人在攻读博士学位期间便开始研究反铁磁材料及器件，并逐步认识到反铁磁不仅是探索自旋相互作用的理想平台，更是信息存储技术未来突破的关键方向。2016年，本人团队开始聚焦反铁磁/铁磁体系研究，利用交换偏置场与自旋轨道矩的协同效应实现了低功耗压控自旋矩器件。随后，发现了反铁磁/铁磁双层结构中的自旋轨道矩不仅可以翻转铁磁层磁矩，也可以翻转界面交换偏置场，并基于此研制了反铁磁隧道结器件，为实现高密度、抗强磁场干扰的磁存储芯片奠定基础。

CellPress：

本论文有哪些核心贡献？

赵巍胜教授：

本论文深入探讨了共线反铁磁、非共线反铁磁以及交错磁体的磁序结构和自旋劈裂能带特性，阐明了将反铁磁作为高效自旋源应用于自旋电子器件的优势，概述了高效调控交换偏置场和反铁磁磁序的电学及光学方案。其次，总结了反铁磁材料在自旋电子器件中的前沿应用，着重探讨了压控自旋矩器件、反铁磁隧道结和全反铁磁隧道结的优势和挑战。最后对反铁磁材料研究的未来发展方向进行了展望，提出了一种基于反铁磁的全自旋计算架构。

CellPress：

为实现本论文提出的“基于反铁磁的全自旋计算架构”需攻克哪些关键技术？

赵巍胜教授：

实现这一架构需攻克多项关键技术：一是材料层面，需开发可与传统CMOS工艺兼容的高质量反铁磁薄膜制备技术；二是器件层面，需优化器件结构以进一步提升磁化翻转能效、降低数据写入功耗；三是电路层面，需设计能充分发挥不同存储器件特性、实现系统能效最优的读写电路。目前，北航团队已成功将反铁磁隧道结器件制备工艺与传统CMOS工艺相结合，研制出128Kb容量的反铁磁随机存储芯片。该芯片具有抗3T强磁场干扰能力，展现出巨大的应用前景。

作者简介

赵巍胜

教授

赵巍胜，北京航空航天大学副校长、自旋芯片与技术全国重点实验室常务副主任、中文核心期刊《集成电路与嵌入式系统》总主编，长期从事自旋电子学、新型信息器件、非易失存储器等领域的交叉研究，主持国家重点研发计划、自然科学基金委重大项目和重大仪器等项目，以通讯作者在Nature Electronics、Matter等高水平期刊发表论文200余篇，其中ESI高被引论文16篇，总被引3万余次。入选国家领军人才、IEEE Fellow、科睿唯安全球高被引学者，获北京市自然科学一等奖、中国电子学会自然科学一等奖、中国仪器仪表学会技术发明一等奖、科学探索奖和华为奥林帕斯先锋奖。

彭守仲

教授

彭守仲，北京航空航天大学集成电路学院院长助理、材料与器件系主任、教授、博导。长期从事自旋电子学、微电子器件、新型存储芯片等研究，主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金优秀青年基金等科研项目10余项。在Nature Electronics、IEEE IEDM等期刊和会议发表论文40余篇，被引1900余次。入选国家级青年人才计划、中国科协青年人才托举工程、小米青年学者，获北京市自然科学一等奖、中国电子学会自然科学一等奖、华为奥林帕斯先锋奖、全国高校电子信息类专业课程实验案例设计竞赛一等奖、北京市教育教学成果二等奖等奖励。