非對稱撬動奈爾矢量：好個四兩撥千斤

編者按：自從自旋電子學與原本無用的反鐵磁體較上勁后，反鐵磁絕緣體半導體的研究浪潮迭起。其中一個重要問題就是反鐵磁奈爾矢量(Néel vector) 的操控翻轉。前幾天清華大學帥哥宋成有針對手性反鐵磁的短篇科普大作《》出籠，今天又有中科院合肥固體所的帥哥邵定夫教授領銜之長篇科普雄文。讀者不妨放慢腳步，觀賞一番針對奈爾矢量翻轉的、真的很出彩的新風景。

1.引子

在凝聚態物理與信息技術交匯的尖端前沿，自旋電子學正扮演著舉足輕重的角色。它不僅是打造下一代更小、更快、更低功耗存儲器件的核心驅動力，更是探索基礎物理、揭示物質新形態的絕佳溫床。近年來，反鐵磁材料猶如物理學界冉冉升起的新星——無論是自旋簡并的常規反鐵磁體，還是自旋劈裂的交錯磁體與非共線反鐵磁體，都受到了廣泛關注。

反鐵磁這顆新星的“核心資產”，是其序參量——奈爾矢量(Néel vector)。簡單來說，反鐵磁體內部通常由兩套(或多套)磁化方向相反的子晶格組成。這些子晶格各自磁矩的矢量差值便構成了奈爾矢量。它之所以備受矚目，是因為其方向猶如一根“物理學魔法棒”，能夠直接調控體系的空間對稱性及諸多奇特物性。

在這個微觀世界里，新奇的物理現象令人目不暇接：從源于波函數的量子幾何效應，到費米面的自旋織構特性；從縱向的磁阻效應，到橫向的霍爾效應；從相對論性的自旋軌道耦合，到非相對論性的自旋動量鎖定；甚至還有跨越了費米統計的電子輸運與玻色統計的磁子動力學……。這一切令人心馳神往的新物理，都會隨著奈爾矢量方向的變化而發生劇變。更為關鍵的是，這些隨之變化的奇特物性，自然而然地成為了物理人探測奈爾矢量方向的絕佳手段，構成了反鐵磁器件信息“讀取”的物理基石。

圖 1. 基于奈爾矢量調控的反鐵磁自旋電子學器件。

奈爾矢量的超快翻轉，可引發器件輸運性質的顯著變化。得益于反鐵磁體宏觀無雜散場且抵抗外加磁場干擾的本征優勢，奈爾矢量的有效控制是實現超高速度、超高密度、超高穩定性與超低功耗的新一代信息器件之物理基石。

圖片引自npj Spintronics 2, 13 (2024) [1]。

然而，要想將這些激動人心的新物理在實驗上予以驗證，甚至轉化為真正可用的下一代信息器件，一個避無可避的前提是：必須能夠隨心所欲地調控奈爾矢量的方向(即實現信息的“寫入”)。

但理想很豐滿，現實很骨感。誠然，對于非共線反鐵磁體而言，由于體系內(如自旋-軌道耦合等因素引發的自旋傾斜)常常伴隨著微小凈磁矩的存在，人們可以像對待“弱鐵磁體”一樣，較為方便地利用外加磁場或自旋力矩來實現狀態調控。然而，對于最廣泛存在、相鄰磁矩嚴格補償的共線反鐵磁體而言，其宏觀凈磁化嚴格為零。這種特性，固然賦予了它們無雜散場的特性和絕佳的抗干擾能力，但也正是這種“穩如泰山”的本性，導致奈爾矢量對外部磁場等常規手段極不敏感、極難得到有效調控。過去，雖然物理學家們也提出過一些電學調控的理論方案，并取得了一定的實驗驗證，但這些方案往往依賴于特定的材料體系。針對所有的共線反鐵磁體，提出一個奈爾矢量的普適調控機制，一直是反鐵磁自旋電子學領域的一大難題或者一大奢求。

最近，筆者所在團隊提出了一種基于“非對稱自旋力矩”的奈爾矢量調控機制，看起來似乎找到了撬動奈爾矢量這塊“頑石”的物理杠桿 [Zhang et al., Phys. Rev. Lett.136, 096702 (2026)]。借著總結這項研究的契機，我們重溫一下這段巧之以杠桿“四兩撥千斤”的心路歷程。

2.鐵磁老大哥是怎么被“拿捏”的？

要搞定“穩如泰山、軟硬不吃”的反鐵磁，不妨先看看隔壁的老大哥——鐵磁體是怎么被注入自旋流產生自旋力矩乖乖調控的，如圖2(a) 所示。

在微觀的動力學世界里，磁矩m的演化是由大名鼎鼎的Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 方程來描述的：

雖然這個方程看起來飄著各種叉乘符號，但它其實只講述了一場不同力矩之間的激烈“拔河比賽” (圖2(b))：

? 進動與阻尼(守門員)：方程的前兩項，分別是磁矩繞著自身有效場(Heff，主要由磁各向異性能提供)的進動項和阻尼項。這兩位“守門員”盡職盡責，致力于把磁矩死死維持在能量最低的易磁化軸上。

? 類場力矩(搗亂者)：形式為τFL~m×p(p是注入自旋的極化方向)。它就像一個額外的輔助磁場，總在試圖讓磁矩偏離平衡位置。

? 類阻尼力矩(主攻手)：形式為τDL~m× (m×p)。這是真正能夠克服阻尼、推動磁矩跨過能量勢壘、并完成磁矩徹底翻轉的絕對主力。

當外加的自旋力矩，即上述主攻手，在競爭中戰勝了“守門員”(有效場和阻尼)，磁矩就會發生翻轉。

燒腦的理論公式到此結束。實際上，這套動力學方程背后的物理圖像極其簡單：就是注入的自旋與局域磁矩發生“自旋角動量交換”。如果忽略掉那些繁雜的中間演化過程，只看開頭和結尾，結果一目了然，如圖 2(c) 所示：

(1) 如果磁矩初始朝上(+z)，我們向它注入極化方向朝下(-z) 的自旋流。角動量交換發生后，磁矩就像被迎面一記重拳，直接被“砸”到了–z 方向。這對應著最經典的自旋轉移力矩(spin-transfer torque, STT)。

(2) 如果我們注入的自旋極化沿面內y 方向，角動量交換會把磁矩死死拉向y 方向。但問題是，一斷電，由于y 方向本身不穩定，磁矩可能會隨機倒向+z 或–z。此時，需要加一個x 方向的微小輔助磁場來打破這種平衡，保證斷電后磁矩便會順勢倒向–z方向。這就對應著目前已經得到一定應用的常規自旋軌道力矩(spin-orbital torque, SOT)。

(3) 如果我們注入的自旋“不那么規矩”，既有面內的y 分量，又帶有面外的z 分量，角動量交換就會讓原本朝上的磁矩被拉得斜著向下。此時只要一斷電，自然就穩穩地落入–z 的懷抱，完成翻轉。這便對應著目前得到廣泛研究的非常規自旋軌道力矩。

看，無論中間的過程多么眼花繚亂，只要掌握了“角動量交換”的訣竅，鐵磁老大哥就能被輕松拿捏。那么，帶著這套成熟的“拿捏手段”去對付反鐵磁，行得通嗎？

圖 2. 自旋力矩的物理機制與磁矩調控。

(a) 自旋力矩的核心物理機制：注入的自旋與局域磁矩發生自旋角動量交換。(b) LLG 方程：進動與阻尼(守門員)、類場力矩(搗亂者) 與類阻尼力矩(主攻手) 的激烈競爭。(c) 垂直鐵磁磁矩的自旋力矩調控：STT 直接將磁矩從+z 翻轉到–z；常規 SOT 將磁矩從+z 拉到y 方向，如果施加一個x 方向的磁場Hx，可以引導磁矩在關閉電流脈沖后翻轉到–z；非常規SOT 將磁矩拉到斜向下的方向，關閉電流脈沖后，磁矩順勢翻轉到–z。(d) 在反鐵磁兩個磁矩上施加相同的自旋極化，產生地類阻尼力矩導致奈爾矢量會在垂直于自旋極化的平面內一直高速旋轉。(e) 在反鐵磁兩個磁矩上施加相同的自旋極化，產生的類場力矩導致奈爾矢量發生高速旋轉。當旋轉到自旋極化方向時，力矩消失，旋轉停止，從而將奈爾矢量確定性地翻轉到自旋極化的方向上。

圖(a,b)引自[A. Brataas, et al., Nature Mater 11, 372 (2012)] [2]。圖(d) 引自npj Spintronics 2, 13 (2024) [1]。

3.反鐵磁調控的“迷局”

反鐵磁和鐵磁的一個巨大不同在于：反鐵磁磁矩之間存在著極其強烈的交換場(Hex)。一個磁矩感受到的交換場，與另一個磁矩的方向是平行的。所以，當兩個磁矩完美反平行的時候，形式為m×Hex 的交換力矩嚴格為0。

但是，假定有外力(比如均勻注入的自旋流產生的類阻尼力矩)試圖把這兩個反平行的磁矩往同一個方向拉，讓它們稍微“翹起來”一點點，使得磁矩不再完美反平行。如此，m×Hex 這個叉乘就不再為0。此時，兩個磁矩會瞬間產生大小相等、方向相反的巨大交換力矩。由于交換場非常龐大，這個交換力矩會直接帶動奈爾矢量發生太赫茲(THz) 級別的高速振蕩，但無法實現單軸各向異性反鐵磁體的確定性翻轉 (圖2(d))。

當然，這種振蕩機制并非毫無用武之地。過去的研究表明，基于這種機制可以翻轉具有多軸各向異性的反鐵磁體系。例如，假設材料的易磁化軸同時存在于x 軸和y 軸，那么通過施加一個沿x 方向的自旋極化，巨大的交換力矩會讓奈爾矢量在yz 平面內持續旋轉。當釋放掉電流后，奈爾矢量就會順勢停留在能量較低的y 軸上。但遺憾的是，這種方式無法確定它最終是指向+y 還是–y 方向，仍然不夠“確定性”。

后來，人們發現，對具有中心反演與時間反演聯合對稱性(PT對稱性) 的材料，Edelstein 效應可以給兩個子晶格施加完全相反的自旋極化。這樣一來，類場力矩就會拉動兩個磁矩“翹起來”，讓交換力矩帶動奈爾矢量進行旋轉。當旋轉到磁矩和自旋極化平行的方向時，類場力矩消失。此時，奈爾矢量的旋轉停止，確定性翻轉得以實現 (圖2(e))。

這個過程，雖然比鐵磁的動力學行為復雜得多，但如果忽略繁雜的中間環節，仍然可以用極簡的“角動量交換”圖像來直觀理解：當兩個子晶格截獲的自旋積累相同時，角動量交換只能讓磁矩同向移動引發振蕩。這顯然無法滿足奈爾矢量的確定性翻轉需求。而當自旋積累嚴格相反時，角動量交換則順應了反平行磁矩的習性，將兩個磁矩分別拉向設定的極化方向，從而水到渠成地實現了奈爾矢量的確定性翻轉。

這看起來似乎是一條切實可行的電學調控出路。然而，現實的阻力依然巨大：這種要求自旋積累“嚴格相反”的對稱性條件過于苛刻。目前，該機制僅在極少數特定的反鐵磁金屬(如CuMnAs 和Mn2Au) 中得到實驗驗證。更為遺憾的是，在這些實驗中，往往只觀測到了變化僅0.1% 量級左右的電輸運信號，距離真正滿足實際器件的高效應用仍有著不小的鴻溝。

面對“相同極化”引發振蕩、“相反極化”條件苛刻的迷局，物理學家們開始另辟蹊徑，探索引入額外的對稱性破缺來實現調控。例如，宋成老師通過應變工程引入了Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) 相互作用[Z. Zhou, et al., Nature638, 645 (2025)] [3]；羅昭初老師選擇具有凈磁矩的反鐵磁體系[H. Guo et al., Nat. Commun.16, 8911 (2025)]。他們都成功實現了奈爾矢量的確定性翻轉。但是，作為理論工作者，筆者通常比較“貪心”，總是想找到一種普適的機制，讓物理人在即使沒有上述因素的反鐵磁體系中依然能自如地調控奈爾矢量。

4.實空間反鐵磁子晶格堆疊中隱藏的秘密

過去的研究，大多基于全局的宏觀對稱性和動量空間的能帶結構。在分析材料的宏觀輸運特性時，動量空間的物理圖像確實極其有效——近年來交錯磁體的興起，正是這一方法的成功典范。然而，自旋力矩本質上源于注入的自旋與材料內部局域磁矩之間發生的角動量交換。僅僅依靠動量空間的宏觀圖像，無法精確刻畫材料內部真實的微觀局域輸運行為。因此，過去的工作，往往默認宏觀輸運性質在材料內部是均勻分布的，也就導致了“注入自旋后，兩個子晶格截獲的自旋積累必然相同”的固有印象。

2021年，我們基于動量空間的物理圖像，提出了“動量分辨自旋極化”的反鐵磁隧道磁阻機制[Nat. Commun.12, 7061 (2021)] [5]。該機制隨后陸續得到實驗的證實，實現了大開關比的隧道磁阻信號，有望徹底解決反鐵磁自旋電子學中高信噪比的信息“讀取”難題。既然“讀”已不是問題，我們自然就將重心轉向了“寫”：

到底怎樣才能實現反鐵磁奈爾矢量的高效、確定性調控？

為了解決這一問題，我們決定跳出動量空間的宏觀視角，一頭扎進實空間中去(編者按：物理人的獨門絕技之一就是動量空間說事，但定夫老師偏不信這個邪！)。反鐵磁的實空間子晶格結構，其實非常豐富多彩，如圖 3(a) 所示。打個比方，有的像3D國際象棋棋盤，相鄰的磁矩全都相反(G型反鐵磁)；有的像千層蛋糕，層內磁矩平行排列，層間反平行(A型反鐵磁)；還有的像一根根面條，磁矩在一維鏈內平行，鏈間反平行(C型反鐵磁)。面對這些五花八門的原子網絡，我們不禁開始思考：當電子在里面奔跑時，難道真的是對所有磁矩“一視同仁”的嗎？

圖 3. 反鐵磁體實空間子晶格堆疊結構與局域自旋輸運特性。

(a) 豐富多彩的反鐵磁實空間子晶格堆疊構型：最近鄰磁矩反平行的G 型、層內平行層間反平行的A 型、一維鏈內平行的C 型、新近發現的十字交叉的X 型結構[Newton 1, 100068 (2025)]。(b) “奈爾自旋流”的物理圖像：在A 型或C 型等結構中，一束全局看似自旋中性的電流，在微觀尺度上化身為交錯極化的“并聯電路”；自旋向上的電子偏好走A 子晶格，自旋向下的電子偏好走B 子晶格 [Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023)]。(c) 不同反鐵磁堆疊結構帶來的局域自旋輸運行為：在G 型堆疊中，電流主要由自旋中性的子晶格間躍遷主導；在C 型與A 型堆疊中，交錯的奈爾自旋流在反平行的鏈內/ 層內流淌；在極端的X 型堆疊中，沿特定鏈方向的電流甚至完全由孤立的單子晶格奈爾自旋流貢獻；而在基于A 型堆疊的器件中，界面物理截斷凸顯，由界面驅動產生自旋相關的隧傳穿電流 [Newton 1, 100142 (2025)]。

順著這個思路，我們提出了“奈爾自旋流(Néel spin currents)”的概念，如圖 3(b) 所示：在某些反鐵磁體中，一束全局看似自旋中性的電流，其實可以看作是一個“并聯電路” [D. -F. Shao, et al., Phys. Rev. Lett.130, 216702 (2023)] [6]。自旋向上的電子偏好走A 子晶格，自旋向下的電子偏好走B 子晶格。結果就是，在反鐵磁體內部的不同磁性子晶格中，實際上流淌著交錯式的、高度極化的自旋流！由于A 型和C 型磁性子晶格具有低維特性(如層狀或鏈狀)，自旋極化的電子輸運往往被局限在特定的子晶格空間內，這便成了孕育奈爾自旋流的理想溫床。

沿著這一實空間脈絡，我們還發現了更為極端的“X型反鐵磁體”[S. -S. Zhang et al., Newton1, 100068 (2025)] [7]。在這一全新的堆疊類型中，它的兩個子晶格形成了十字交叉的鏈狀結構。當電流沿特定方向傳輸時，電子甚至可以完全繞開其中一個子晶格，實現令人驚嘆的單子晶格自旋輸運運，如圖 3(a,c) 所示。

這些生動的例子，無一不在向我們宣告一個被長期忽視的真相：在反鐵磁體內部，局域自旋輸運行為極其豐富多彩，絕非過去簡單假定的“均勻分布”！

更妙的是，這個實空間的局域視角，不僅為我們指明了怎么“寫”，還給如何“讀”帶來了全新啟發。它清楚地告訴我們，在某些堆疊結構和特定的輸運方向下，反鐵磁體內部可以完全沒有與自旋相關的體相輸運性質。此時，由于異質結界面的物理截斷，界面的局域自旋極化就會“喧賓奪主”凸顯出來[L. Yang, et al., Newton1, 100142 (2025)] [8]。基于這一思路，我們與實驗團隊合作，利用二維范德華A型反鐵磁體(Fe,Co)5GeTe2，成功構建了全共線反鐵磁隧道結，并在實驗上觀測到了基于界面極化、高達75 % 的隧道磁阻效應[W. -M. Zhao et al., Nat. Commun.17, 268 (2026)] [9]。這意味著，只要玩轉了實空間，哪怕是自旋處處簡并的常規反鐵磁體，也同樣極具應用價值。

5. “四兩撥千斤”的非對稱自旋力矩

當我們將視角從理想的宏觀晶體切換到真實的微觀器件中，一切就豁然開朗起來。在真實的物理世界里，自旋流的注入，必須經過異質結界面。而界面，天然是一道物理截斷，破壞了空間對稱性，有可能導致反鐵磁的兩個子晶格截獲的自旋積累出現不對稱。例如，向 A 型反鐵磁體注入自旋流時，越靠近界面的磁層，截獲到的自旋積累自然越多，遠處的則越少，如圖 4(b) 所示。而在更極端的X 型反鐵磁體中，沿著特定方向甚至可以直接實現單個子晶格的自旋積累，如圖 4(c) 所示。同樣地，只要薄膜器件內部破缺某種(可能是嚴苛的)對稱性(如中心反演與時間反演聯合對稱性PT 、或時間反演和平移的聯合對稱性Tt)，體相的 Edelstein 效應也必然導致兩個磁矩的自旋積累出現差異。

一句話，理論上往往苛求的“嚴格相同”或“嚴格相反”，在現實的器件結構中是極難維持的。非對稱的自旋積累，才是反鐵磁器件中的常態！

圖 4. 實空間非對稱自旋積累的產生及其“四兩撥千斤”的物理圖像。

(a-c) 注入自旋流在不同反鐵磁堆疊結構中截獲的局域自旋積累現象：G 型反鐵磁體中表現為相同的自旋積累 (a)；而在A 型 (b) 和更為極端的X 型 (c) 反鐵磁體中，則不可避免地呈現出高度非均勻、不對稱的自旋積累。 (d-e) 反鐵磁自旋力矩的“天平模型”：當兩端放置完全相同重量的砝碼(對應相同自旋積累) 時，天平保持水平，無法傾倒(對應奈爾矢量翻轉) (d)；兩端重量出現差別(對應非對稱自旋積累)，天平發生傾倒(對應奈爾矢量的確定性翻轉) (e)。

對此，可以用一個天平來做生動的類比：兩端放著完全相同質量的砝碼(相同自旋積累)，不管您怎么往下按，天平只會劇烈晃動(對應反鐵磁的高頻振蕩) 而不會徹底翻轉，如圖 4(d) 所示。但是，只要兩端重量(未必是質量)出現哪怕一絲一毫的不同(非對稱自旋積累)，天平立刻就會打破平衡，順勢傾倒，如圖 4(e) 所示。

我們對此物理圖像進行了詳細的解析推導與宏觀自旋模擬，發現正是這種非對稱自旋力矩機制，撬動了奈爾矢量這塊“頑石”。根據非對稱自旋積累的極化方向，體系會呈現出幾種清晰的確定性穩定解，與前面提到的“鐵磁老大哥”的翻轉圖像簡直如出一轍 (圖 5)：

(1) –z 極化：就像鐵磁中經典STT 那般，能將奈爾矢量干凈利落地直接翻轉到–z 方向。

(2) 既有y 極化又有–z 極化：能將奈爾矢量拉到一個斜著向下的穩態。一旦斷電，它自然就會落入–z 的懷抱，完成翻轉(對應非常規SOT)。

(3) y 極化：這里的情況最為有趣。y 極化理論上會產生兩個穩定的解。其中一個解，對應著傾斜的奈爾矢量(可以斜向上也可以斜向下)。雖然“斜向下”的態看似很有用，但這兩種傾斜狀態在能量上是簡并的，在實際的熱漲落等擾動下會交替出現，極難穩定控制。因此，真正在實驗中可控且有用的，是第二個解：奈爾矢量被完全拉到y 方向。

圖 5. 反鐵磁非對稱自旋力矩與鐵磁體調控模式的對應關系。

理論分析表明，非對稱自旋積累的極化方向決定了奈爾矢量的穩態解：–z 極化(對應STT，奈爾矢量直接翻轉到–z 方向)、y 極化(對應常規SOT，奈爾矢量被拉到y 方向；結合輔助磁場，在電流關閉后翻轉到–z 方向) 和既有y 極化又有–z 極化的情況(對應非常規SOT，奈爾矢量被拉到斜向下的方向，關閉電流后順勢翻轉到–z 方向)，均可實現與傳統鐵磁體類似的確定性翻轉模式。

根據我們的理論推導，在這個朝向y 方向的穩態下，如果像調控鐵磁體那樣，施加一個面內的輔助磁場(Hx)，則這個磁場會在兩個子晶格上產生沿著z軸、大小相等方向相反的力矩，從而在–z 方向誘導出一個微小但極度確定的奈爾矢量分量，如圖 6(a) 所示。斷電后，這個微小的z 分量就成了精準的“向導”，引領奈爾矢量確定性地翻轉到目標方向，如圖 6(b) 所示。這一圖像，極其類似于常規SOT 加場輔助翻轉鐵磁垂直磁矩的過程。

不過，這里隱藏著一個反鐵磁獨有的巨大殺手锏：在傳統鐵磁體中，如果施加一個很大的Hx，它會簡單粗暴地把磁矩強行拉向x 方向，從而徹底破壞翻轉。但在反鐵磁體中，這個輔助磁場可以加到非常大！這是因為反鐵磁內部那股曾讓我們頭疼不已的、極其強烈的“交換耦合”力量，此刻變成了最堅固的護盾——它死死保護著磁矩不被外場影響。在我們的模擬中，即使施加了高達10 倍于各向異性場的Hx，奈爾矢量的翻轉依然如比薩斜塔的落球般不受影響，如圖 6(c) 所示。

圖 6. 大磁場輔助下的非對稱SOT翻轉。

(a) 當奈爾矢量處于y 方向時，沿著x 方向的面內輔助磁場在兩個子晶格上產生大小相等、方向相反的z 方向力矩，從而引導奈爾矢量在關閉電流后實現確定性翻轉的物理圖像。(b, c) 宏觀自旋動力學模擬表明，在小磁場 (b) 和高達10 倍各向異性場的超大磁場 (c) 下，奈爾矢量均能順利翻轉。這是因為反鐵磁內部極其強烈的“交換耦合”在此刻化身為最堅固的護盾，有效抵御了大磁場對磁矩的影響，保護翻轉過程不被干擾甚至破壞。(d) 理論機制與前沿實驗的完美吻合：物理所韓秀峰老師團隊成功實現了A 型反鐵磁體(Cr2O3)垂直奈爾矢量的場輔助SOT 翻轉，且該翻轉在高達 3 T 的巨大面內磁場下依然照常進行[W. He et al., Nat. Electron. 7, 975 (2024)] 。

令人振奮的是，這一直觀的物理圖像，與中國科學院物理所韓秀峰老師團隊近期的實驗結果[W. He et al., Nat. Electron.7, 975 (2024)] 完美吻合。他們將自旋流注入到A 型反鐵磁體Cr2O3中，實現了加場輔助垂直奈爾矢量翻轉。實驗表明，這一翻轉即使在高達3 T 的巨大面內輔助磁場下，依然能夠穩定實現，如圖 6(d) 所示。這種理論與實驗的嚴絲合縫，讓我們對非對稱自旋力矩機制的普適性充滿信心。

6.結語

從探究宏觀全局對稱性，到深入于實空間的局域微觀輸運過程，我們梳理了反鐵磁內部豐富多彩的輸運細節，打破了“對稱自旋積累”的思想定式，建立了一套適用于反鐵磁體系的“非對稱力矩調控”普適機制。這一機制，為連接傳統的鐵磁自旋電子學與下一代反鐵磁自旋電子學，提供了一條切實可行的理論路徑。它向我們宣告：鐵磁體中那些成熟且曾經輝煌的調控手段(如STT、SOT)，在引入適當的非對稱性后，完全可以“無縫移植”并完美應用于奈爾矢量這塊曾經的“頑石”之上，從而延續那般“輝煌”。

展望未來，這套“四兩撥千斤”的調控哲學，將大有可為：物理人可以通過選擇合適的材料體系、設計特定的晶體生長方向、優化異質結的器件結構，來隨心所欲地控制自旋積累的非對稱性。通過進一步結合Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用、微小凈磁矩或新興的軌道力矩(orbital torque)，高效的奈爾矢量調控將不再是望洋興嘆。更令人期待的是，通過設計注入自旋的極化方向，甚至可以利用非對稱自旋力矩，將奈爾矢量“硬生生”地穩定在遠離易磁化軸的任意方向上，從而解鎖基態下原本不存在的新奇物理效應。

我們希望，這一非對稱自旋力矩機制，能成為探索反鐵磁新物理的“探照燈”，為最終實現反鐵磁自旋器件中高效、精確的信息“寫入”提供理論指導。

這一工作剛剛發表于 PRL 上。非對稱自旋力矩機制的發現，完全歸功論文第一作者、中國科學院合肥物質院博士生張水森同學。水森即將畢業，預祝他未來做出更大的貢獻。

最后指出，本文描述可能多有夸張、不周之處，敬請讀者諒解。對詳細內容感興趣的讀者，可點擊文尾的“閱讀原文”而御覽論文原文。

Deterministic switching of the Néel vector by asymmetric spin torque

Shui-Sen Zhang(張水森), Zi-An Wang(王子安), Bo Li(李博), Wen-Jian Lu(魯文建) Mingliang Tian(田明亮), Yu-Ping Sun(孫玉平), Haifeng Du(杜海峰) & Ding-Fu Shao(邵定夫)

Physical Review Letters136, 096702 (2026)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fkyr-z5b8

附：文中提到的相關參考文獻

[1]. D.-F. Shao and E. Y. Tsymbal, Antiferromagnetic tunnel junctions for spintronics, npj Spintronics 2, 1 (2024).

[2]. A. Brataas, et al., Current-induced torques in magnetic materials, Nat. Mater. 11, 372 (2012).

[3]. R. Cheng, et al., Ultrafast switching of antiferromagnets via spin-transfer torque, Phys. Rev. B 91, 064423 (2015).

[4]. J. ?elezny, et al., Relativistic Néel-order fields induced by electrical current in antiferromagnets, Phys. Rev. Lett. 113, 157201 (2014).

[5]. P. Wadley et al., Electrical switching of an antiferromagnet, Science 351, 587 (2016).

[6]. Z. Zhou, et al., Manipulation of the altermagnetic order in CrSb via crystal symmetry, Nature 638, 645 (2025).

[7]. H. Guo et al., Layer-dependent spin-orbit torque switching of néel vector in a van der waals antiferromagnet, Nat. Commun. 16, 8911 (2025).

[8]. D.-F. Shao, et al., Spin-neutral currents for spintronics, Nat Commun 12, 7061 (2021).

[9]. S.-S. Zhang et al., X-type stacking in cross-chain antiferromagnets, Newton 1, 100068 (2025).

[10]. D.-F. Shao, et al., Néel spin currents in antiferromagnets, Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023).

[11]. L. Yang, et al., Interface-controlled antiferromagnetic tunnel junctions, Newton 1, 100142 (2025).

[12]. W.-M. Zhao et al., Interface-controlled antiferromagnetic tunnel junctions based on a metallic van der Waals A-type antiferromagnet, Nat. Commun. 17, 268 (2025).

[13]. W. He et al., Electrical switching of the perpendicular Néel order in a collinear antiferromagnet, Nat. Electron. 7, 975 (2024)

玉堂春·梅聲

未蘇灣畔

卻有紅顏浪漫

綴在崖垠，只顧銜歡

弄雨凌風，吐著純鮮艷，哪管寒荒侵滿園

正是冬春輪換，三元開始間

便奉初心

更奉初花瓣

還奉梅聲響耳邊

(1) 筆者邵定夫，任中國科學院合肥物質院固體物理所研究員。團隊主頁：https://shao.dingfu.group/。筆者近年來一直從事磁學、自旋電子學理論研究，目前正在招聘博士后與其一起在相關領域“開腦洞”。歡迎凝聚態理論、計算方向的青年人才聯系：dfshao@issp.ac.cn。

(2) 小文標題“非對稱撬動奈爾矢量：好個四兩撥千斤”乃宣傳式的言辭，不是物理上嚴謹的說法。在此，該比喻蘊含著兩層核心物理圖像：其一，是指自旋積累的微小不對稱性(“四兩”)，足以打破傳統對稱機制下的動力學僵局，引發奈爾矢量確定性翻轉的巨大宏觀響應(“千斤”)；其二，是指在量級上極其微弱的外加自旋力矩(“四兩”)，巧妙地借助了物理杠桿，成功撬動了受極強內部交換耦合保護的反鐵磁序(“千斤”)。

(3) 文底圖片來自筆者團隊，乃根據“四兩撥千斤”的天平模型 [圖4(d,e)] 用AI生成。文底小詞 (20260217) 由編者 Ising 添加，原本寫丙午馬年三元之始的梅聲陣陣。這里不妨用來表達本文筆者給反鐵磁自旋電子學領域帶來的梅聲：梅花本身也許不能用來制造成什么可用物品，但此“梅花之聲”卻能激勵實驗物理人去做出可控的反鐵磁自旋電子學器件^_^！

(4) 封面圖片乃由筆者團隊繪制，展示了非對稱自旋力矩調控奈爾矢量的幾種模式。

文章轉載自“量子材料QuantumMaterials”微信公眾號