研究背景 交错磁体（altermagnet）兼具反铁磁体与铁磁体的优势：在实空间中具有补偿的磁矩，因而几乎不产生杂散场；同时又能在动量空间中形成非相对论性自旋劈裂，为自旋选择性输运提供基础。这些特性使交错磁体成为高密度、低功耗自旋电子器件的重要候选材料。 磁隧道结通常通过平行态（P）和反平行态（AP）之间的电阻差异存储和读取信息。在已有交错磁隧道结方案中，这两种状态往往依赖 Néel 矢量翻转来切换。然而，交错磁体的总磁矩严格补偿，利用自旋转移力矩（STT）或自旋轨道力矩（SOT）实现确定的 Néel 矢量翻转仍然困难，复杂的界面结构还可能带来效率损失和额外的能耗。研究关注的核心问题是：能否不翻转 Néel 矢量，只借助电场就完成交错磁隧道结的写入与切换？ 为此，研究者把目光转向具有自旋—层耦合的双层交错磁半导体 V2Se2O。该体系的上下两层具有符号相反的自旋极化。零电场下，空间反演与时间反演的联合对称性使能带保持整体自旋简并；施加垂直电场后，层间电势差打破这一对称性，隐藏的自旋劈裂便可在不同层上显现。只需反转电场方向，就能够反转自旋劈裂的符号，而 Néel 矢量则始终不变。 图 1.（a）双层 V2Se2O 原子结构及交错磁序（b-c）导带附近的动量分辨自旋分布及侧视图（d-f）在 0、0.2 和 −0.2 V/Å 垂直电场下的自旋分辨能带（g-i）相应的层投影能带 研究内容 基于上述机制，选择双层 V2Se2O 作为原型，沿其（010）方向构建交错磁隧道结。与“金属电极—势垒—金属电极”的传统多材料结构不同，该器件由同一种双层材料连续构成，左右区域通过两组栅极分别施加垂直电场。两端电场方向相同时，两侧自旋通道相互匹配，器件处于平行态；两端电场方向相反时，自旋通道彼此不匹配，器件处于反平行态。换言之，P 态和 AP 态的写入不再依赖磁序翻转，而是通过改变电场方向直接切换。 第一性原理结合非平衡格林函数的量子输运计算显示，在 |E| = 0.2 V/Å、零偏压条件下，隧穿磁阻（TMR）为 1.10×1010 %。其物理图像十分直观：P 态下左右区域的自旋分辨费米面高度匹配，电子能够顺利传输；AP 态下相应通道彼此失配，隧穿过程受到强烈抑制。TMR 在一定偏压下仍保持在 104 %以上。 图 2.（a）栅极调控的器件示意图（b）P 态和 AP 态下两端电极的二维费米面匹配关系（c）P 态和 AP 态的总透射谱（d-e）透射系数和 TMR 随能量的变化（f-i）P 态和 AP 态下的自旋分辨透射本征态 该器件还呈现出鲜明的“层过滤”特征。在 0.2 V/Å 电场下，穿越费米能级的能带主要来自双层 V2Se2O 的底层，因此 P 态中的自旋向上和自旋向下通道都集中在底层，而顶层基本不参与输运。这意味着电子的传输不仅具有自旋选择性，还携带可分辨的层信息。层自由度由此成为新的信息载体，也为实验识别器件导电状态提供了可能。若能分别探测上下层信号，便可直接检验电场是否使器件保持在理想的单层过滤工作区间。 随后，进一步系统考察电场强度对器件性能的影响。随着 |E| 由 0.2 V/Å 增加至 0.4 V/Å，更多能带穿越费米能级，P 态透射持续增强；AP 态透射也随之增加，但始终小于 P 态。当电场达到 0.25 V/Å 时，导带与价带的自旋劈裂分支发生交叉，上下两层的能带同时参与费米能级附近输运，AP 态由此打开额外通道。TMR 从约 1010 % 迅速降至 5.06 × 104 %，此后仍保持在 104 % 以上。 图 3. 电场和偏压对输运性能的调控（a-b）P 态和 AP 态总透射系数随电场变化（c）TMR 随电场变化（d）在 |E| = 0.2 V/Å 时，P 态电流、AP 态电流及 TMR 随偏压的变化 这一突变并非器件失效，而是层分辨输运机制发生了转换。在较低电场下，只有一层提供主要通道，器件表现为单层过滤；超过临界电场后，另一层的能带也跨越费米能级，输运转变为双层共同参与。对于 P 态，左右所有自旋通道仍能匹配；对于 AP 态，新增的费米面重叠使原先被阻断的部分通道重新开启。因此，层信号不仅是新型信息自由度，也可以充当器件工作窗口的原位“指示器”。 图 4.（a）不同电场方向与强度下的自旋—层分辨能带示意（b）两条能带跨越费米能级后的二维费米面示意图（c）|E| = 0.25 V/Å 时 P 态和 AP 态的费米面匹配情况（d-g）P 态和 AP 态的自旋分辨透射本征态 总结 本研究提出了一种不同于传统磁序翻转的交错磁隧道结写入范式。垂直电场打破双层 V2Se2O 的层间 PT 对称性，使隐藏的自旋极化显现；反转电场方向即可反转自旋劈裂的符号，从而在 Néel 矢量不变的情况下完成 P 态与 AP 态切换。由同一种双层材料连续构成的一体化架构减少了额外异质界面的需求，并在 0.2 V/Å 电场下产生约 1.10×1010 % 的巨大 TMR。 更具特色的是，器件输运具有层过滤属性：低电场下主要由单层承担隧穿，电场超过临界值后则转变为双层共同输运。层自由度既拓展了信息编码维度，也为监测最佳工作窗口提供了可检测信号。该工作为低功耗、高速度交错磁存储器件提供了全电调控的理论路线，也展示了将自旋与层自由度协同用于量子输运设计的潜力。 参考文献 Chao Mao, Shiqi Liu, Baochun Wu, Shunfang Li, Jinbo Yang, and Jie Yang. Electrical-controlled and […]
