傳統的自旋信息器件主要基于對鐵磁材料中磁矩的精確操控與探測，但由于雜散場、較小的磁各向異性場等本征缺陷，使得鐵磁自旋信息器件面臨挑戰。具有零凈磁矩的反鐵磁材料擁有超快的自旋動力學特征、極小的雜散場和較強的抗外場干擾能力，在超高密度信息存儲和超高速度信息處理方面頗具應用潛力，被認為是下一代自旋信息器件重要的候選載體材料。拓撲反鐵磁材料（如典型代表Mn₃Sn）集合了常規反鐵磁體中零雜散場和超快自旋動力學特征以及拓撲材料中非平庸拓撲能帶誘導的大磁輸運特性等優勢，為反鐵磁自旋信息器件的實際應用提供了可行的解決方案。其中，如何利用全電學方法有效操控、探測反鐵磁的磁化狀態以及設計并制備基于反鐵磁材料的新型拓撲自旋結構，是其在信息存儲或自旋邏輯器件應用中亟待解決的關鍵問題。 

　　近日，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室王開友課題組與南方科技大學教授盧海舟合作，在無重金屬電流注入的條件下，利用Mn₃Sn自身非平衡局域自旋積累實現了非共線反鐵磁外爾半金屬的無外場磁化翻轉，并進一步實現了全電控反鐵磁多態翻轉（圖1）。研究通過與鐵磁/重金屬異質結、共線反鐵磁/重金屬異質結的無外場翻轉中讀寫效率比較發現，Mn₃Sn具有更高的讀寫效率（反?；魻栯娮杪?臨界翻轉電流密度），這證明Mn₃Sn是一種高效且穩定性高的反鐵磁材料（圖2）。與Mn₃Sn異質結薄膜相比較，理論和實驗表明純Mn₃Sn具有最大的對稱性破缺，驗證了Mn₃Sn全電控磁化翻轉的物理來源。該工作解決了具有大讀出信號的反鐵磁材料難以利用全電學方法調控的難題，為設計和研制全電控反鐵磁新功能器件和芯片的發展提供了可行方案。相關成果以All-electrical switching of a topological non-collinear antiferromagnet at room temperature為題，發表在《國家科學評論》（National Science Review，DOI：10.1093/nsr/nwac154）上。 

　　為進一步探索基于非共線反鐵磁Mn₃Sn薄膜的新型拓撲自旋織構，王開友課題組與半導體所超晶格室常凱院士課題組、中國科學院合肥強磁場科學中心教授陸輕鈾課題組合作，在Mn₃Sn/Pt異質結構中，通過調節界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的大小，首次在室溫下實現了Mn₃Sn自旋織構從共面倒三角型到Bloch型斯格明子（skyrmions）的演化。此外，在Mn₃Sn/Pt系統中，該團隊發現了溫度誘導的斯格明子-反鐵磁類半子（meron-like）自旋織構的非常規轉變（轉變溫度大約220 K）（圖3）。理論計算表明，這種拓撲自旋織構的轉變與Mn₃Sn晶胞內籠目（kagome）亞結構之間反鐵磁交換相互作用的溫度依賴性有關。該工作不僅證明了非共線反鐵磁異質結系統中豐富多樣的拓撲自旋織構，而且為利用應變或插層等手段調節層間相互作用來構筑新型拓撲自旋織構提供了可行方案。相關成果以Topological spin textures in a non-collinear antiferromagnet system為題，發表在《先進材料》（Advanced Materials，DOI：10.1002/adma.202211634）上。 

　　研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金和北京市自然科學基金重點研究專題項目等的支持。 

圖1.Mn₃Sn展現出巨大的反常霍爾效應，基于非平衡自旋流積累實現了純Mn₃Sn磁化翻轉，在此基礎上演示了二態翻轉和多態翻轉。 

圖2.非共線反鐵磁Mn₃Sn無外場翻轉讀寫效率與其他有序磁性材料/重金屬異質結無外場翻轉的比較。結果表明純Mn₃Sn全電控磁化翻轉的效率更高。 

圖3.設計制備的非共線反鐵磁/重金屬（Mn₃Sn/Pt）異質結中，利用界面DMI效應誘導出室溫斯格明子以及220 K附近發現的斯格明子-反鐵磁類半子的轉變。