清华大学今日宣布清华材料学院宋成、潘峰团队在自旋电子学材料与器件方向取得重要进展，实现了手性反铁磁序的高效全电学完全翻转。该研究打通了手性反铁磁从基础研究走向器件应用的关键环节，为开发兼具超高密度、超快读写和低功耗特性的新一代磁存储奠定了技术基础。相关成果已于 2 月 25 日发表在《自然》上。

长期以来，磁存储技术的发展面临两难困境：铁磁电学读写便捷，却因杂散场制约了存储密度的提升，且吉赫兹动力学频率为电学写入速度设定了上限；反铁磁材料虽无杂散场且具备太赫兹动力学优势，但电学读写困难。

手性反铁磁材料因其非共线自旋，同时拥有太赫兹磁动力学、零杂散场和自旋劈裂能带等特性，被视为突破这一瓶颈的理想体系。然而，如何在零磁场下实现对其磁序的高效电学操控，始终是推动其走向应用的核心挑战。

针对这一挑战，研究团队通过同质结设计整合了手性反铁磁的“非共线自旋指纹”的两个核心维度，利用非常规自旋流诱发手性反铁磁序的非常规磁动力学，实现了全电学完全翻转。该方案在具备可控的零场翻转极性的同时，效率也实现了大幅度跃升。

在此基础上，研究团队从磁八极子视角切入，破解了手性反铁磁电学翻转的“效率密码”：通过对驱动力和能垒的系统性理论分析，指出自旋极化与磁易面的倾斜几何构型能够突破长久以来的“超低的能垒和超高效的驱动力无法共存”的限制，是实现高效全电学翻转的关键。该机制对其他易面非常规磁体也具有推广意义。

实验中采用分子束外延技术制备 Mn3Sn 同质结，通过预磁化控制实现零场翻转极性反转。测试显示该翻转方式具备优越的抗磁场干扰能力。据论文数据，新构型在临界电流密度、功耗及反常霍尔矫顽力与电流密度比值三项指标上均显著优化，其中第三项指标较铁磁材料提升两个数量级。

该成果为开发兼具高密度、低功耗及超快读写特性的新型磁存储技术奠定基础，同时为太赫兹纳米振荡器等器件研发提供支撑。研究历经五年时间，通过优化分子束外延工艺克服了材料晶体生长难题。团队表示正在推进相关器件的应用研究。