反鐵磁材料由于材料內(nèi)部相鄰的不同磁晶格的磁矩相互抵消對外不表現(xiàn)宏觀磁性，這使反鐵磁材料的操控、探測和應(yīng)用都存在巨大的困難。最近幾年，隨著相關(guān)新理論和新技術(shù)的發(fā)展，反鐵磁材料具有的超高抗磁場干擾能力以及超快動力學(xué)等特點受到了廣泛關(guān)注。但是，當(dāng)前的科學(xué)研究普遍認為由于反鐵磁材料內(nèi)部近鄰磁矩相互抵消，反鐵磁材料中無法產(chǎn)生自旋極化的電流，成為反鐵磁材料應(yīng)用的瓶頸之一。

最近，東北大學(xué)材料學(xué)院張憲民教授研究組從打破反鐵磁材料對稱性考慮，提出在反鐵磁材料的特定晶向施加偏壓，進而打破反鐵磁材料中磁性亞點陣晶格的對稱性，誘導(dǎo)高效的自旋極化電流。該創(chuàng)新性理論工作以東北大學(xué)為第一單位發(fā)表在美國物理聯(lián)合會期刊[Applied Physics Reviews.7, 031405 （2020），期刊影響因子 17.0]，該工作被Editor選為Featured Article。同時，美國物理聯(lián)合會（AIP）以科學(xué)亮點（Scilight）撰寫了專題評論（鏈接https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0001675）。

該研究以（111）晶向的NiO反鐵磁材料作為傳輸層，以Au為電極構(gòu)筑了Au/NiO（111）/Au結(jié)構(gòu)的器件，如圖1所示。研究發(fā)現(xiàn)，不同偏壓下通過NiO（111）層的自旋向上和向下的電流曲線不重合，說明偏壓打破了NiO磁性亞點陣的對稱性并在反鐵磁材料中激發(fā)出了自旋極化的電流。圖1（e）表明偏壓為0.9V時，自旋極化率高達80%，這一數(shù)值是傳統(tǒng)鐵磁金屬（Fe、 Co和Ni）的三倍，顯示了在未來電子自旋器件中具有巨大的潛在應(yīng)用價值。

圖1. （a） NiO的共線反鐵磁結(jié)構(gòu)，（b） NiO的態(tài)密度，（c）設(shè)計的器件示意圖，（d）不同偏壓下自旋向上和向下的電流，（e）總電流和自旋極化率的偏壓關(guān)系。  

Au/NiO（111）/Au器件在0 V（圖2a）和1V（圖2b）偏壓下的自旋電子透射譜，圖2c為不同能量和偏壓下的自旋電子透射圖（紅線交叉區(qū)域?qū)?yīng)偏壓窗口），顯示出具有很寬的電壓調(diào)控范圍。

圖2. 0 V（a）和1V（b）偏壓下的自旋電子透射譜，不同能量和偏壓下的自旋電子透射圖（c）。

隨著偏壓的升高，電流的自旋極化率可以從正值轉(zhuǎn)化為負值，顯示了豐富的科學(xué)奧秘。圖3為k分辨的自旋電子態(tài)密度。圖3 （a）和 （b）證實了0.9V附近正的高自旋極化率起源于NiO的表面態(tài)；圖3 （c）和 （d）證實了負的自旋極化率起源于高偏壓下NiO的導(dǎo)帶參與了電子的傳輸。

圖3. k 分辨的自旋電子態(tài)密度。能量為0.26 eV的界面處自旋向上（a）和自旋向下（b）；能量為0.8 eV的中間層自旋向上（c）和自旋向下（d）。

研究工作最后系統(tǒng)分析了NiO層數(shù)和界面無序?qū)ψ孕娏鱾鬏斝实挠绊懀砻髁嗽撗芯克悸肪哂衅者m性。該工作申請了中國發(fā)明專利（CN202010459827.4），論文的第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生仝軍偉，導(dǎo)師張憲民、秦高梧教授給予了系統(tǒng)指導(dǎo)，中國科學(xué)院蘇州醫(yī)工所周連群研究員和吉林大學(xué)田夫波教授等一起分析并討論了研究結(jié)果。該工作受到了國家自然科學(xué)基金（Nos. 51971057, 51675517）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（Nos. N180206003 and N2002023）的資助。