NiO-Co-Pt磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中磁場對稱性調(diào)控磁輸運特性研究 | 進展

對稱性作為支配物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的基本法則，對其主動設(shè)計與調(diào)控是開發(fā)新型信息功能器件的核心前沿之一。長期以來，對磁阻等物理效應(yīng)的調(diào)控主要依賴于靜態(tài)的材料設(shè)計，使得器件功能在樣品制備完成后即被固定，缺乏可重構(gòu)性。如何將對稱性從一種被動的系統(tǒng)屬性轉(zhuǎn)化為一個可主動調(diào)控的自由度，進而在單一磁性系統(tǒng)中按需實現(xiàn)不同對稱性構(gòu)型（如奇對稱、偶對稱等）之間的可逆切換，成為打破現(xiàn)有范式、實現(xiàn)功能可重構(gòu)器件的關(guān)鍵科學(xué)瓶頸。這不僅是對自旋電子學(xué)領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)，也觸及如何在更廣泛的物理系統(tǒng)中實現(xiàn)“功能按需編程”的普適性問題。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點實驗室M02課題組豐家峰副研究員和韓秀峰研究員，與大連理工大學(xué)王譯教授、同濟大學(xué)劉要穩(wěn)教授合作，首次在實驗中利用磁場對稱性（field symmetry）在NiO-Co-Pt磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了室溫下三種不同磁阻對稱性構(gòu)型之間的雙向、可逆電學(xué)調(diào)控：非對稱磁阻（AS-MR）、正向?qū)ΨQ磁阻（FS-MR）與反向?qū)ΨQ磁阻（RS-MR），如圖a所示。該NiO-Co-Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)本身因反常霍爾效應(yīng)而表現(xiàn)出典型的奇對稱AS-MR行為（圖b），其電阻響應(yīng)滿足Rxx(H) = -Rxx(–H)。研究團隊通過精確預(yù)設(shè)磁場，成功誘導(dǎo)出兩種偶對稱磁阻態(tài)：FS-MR（圖c）與RS-MR（圖d）。其中，F(xiàn)S-MR滿足+Rxx(H) = +Rxx(–H), 表現(xiàn)為正負磁場方向一致的向上電阻峰，對應(yīng)于雙高阻態(tài)構(gòu)型；而RS-MR則遵循?-Rxx(H) = -Rxx(–H), 呈現(xiàn)為對稱的一致向下電阻峰，構(gòu)成雙低阻態(tài)構(gòu)型。轉(zhuǎn)換的物理機制可歸結(jié)為：在特定磁場對稱性調(diào)控下，正負磁場方向的非對稱電阻峰發(fā)生選擇性反轉(zhuǎn)，即一個磁場方向的電阻峰形發(fā)生“上-下”鏡像翻轉(zhuǎn)，而相反方向的電阻峰形保持不變（圖a）。

圖：磁場對稱性調(diào)控磁阻效應(yīng)原理示意圖及實驗觀測結(jié)果 (a)磁場對稱性調(diào)控磁阻效應(yīng)原理示意圖；(b) 反常霍爾效應(yīng)誘導(dǎo)的非對稱磁電阻AS-MR效應(yīng)；（c）可調(diào)預(yù)設(shè)磁場通過磁場對稱性實現(xiàn)非對稱磁電阻AS-MR、正向?qū)ΨQ磁阻FS-MR與反向?qū)ΨQ磁阻RS-MR間可逆轉(zhuǎn)變；（d）正向?qū)ΨQ磁阻FS-MR與反向?qū)ΨQ磁阻RS-MR間可逆轉(zhuǎn)變。

該成果的關(guān)鍵創(chuàng)新在于，創(chuàng)造性地通過預(yù)設(shè)磁場將磁場對稱性本身確立為一個獨立、可編程的序參量，從而實現(xiàn)了對磁阻響應(yīng)函數(shù)拓撲構(gòu)型的動態(tài)“寫入”與“擦除”。這一工作突破了傳統(tǒng)上依賴靜態(tài)材料設(shè)計來固定磁阻功能的范式，首次在單一鐵磁材料體系中展示了利用預(yù)設(shè)外場直接“裁剪”系統(tǒng)電學(xué)響應(yīng)的全新路徑。這不僅為開發(fā)真正的預(yù)設(shè)場可編程自旋電子器件磁阻態(tài)提供了原理支撐，也標志著磁阻研究乃至功能材料領(lǐng)域從“靜態(tài)物性工程”向“動態(tài)(磁阻)對稱性控制與編程” 的范式轉(zhuǎn)變。

相關(guān)成果以“Field-Symmetry-Engineered Magnetotransport in Magnetic NiO/Co/Pt Heterostructures”為題，發(fā)表在Nano Letters雜志。中國科學(xué)院物理研究所M02組豐家峰副研究員為第一作者兼通訊作者，中國科學(xué)院物理研究所閆麗琴副研究員、同濟大學(xué)劉要穩(wěn)教授和大連理工大學(xué)王譯教授為共同通訊作者。該項研究得到了科技部國家重點研發(fā)項目和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

編輯：zzz