由磁性自旋霍尔效应控制的铁磁双层中的反铁磁畴壁

无惧外场的磁性

现代电子学通过搬运电荷来存储和传输信息。自旋电子学旨在更进一步，利用电子微小的磁“自旋”，有望实现更快、更节能且更紧凑的器件。然而，一个主要障碍是许多最有吸引力的磁态难以被控制。该研究展示了如何通过精心设计的磁性材料和一种不寻常的自旋流驯服其中一种态——反铁磁序，从而为稳健、抗外场的存储技术打开了大门。

为何反铁磁体令人心动但难以驾驭

在普通磁体中，许多自旋朝同一方向排列，产生可被外部磁场驱动的净磁场。而在反铁磁体中，相邻自旋朝相反方向，彼此抵消整体磁场。这使它们几乎对外界磁场“隐形”，非常适合高密度的存储元件，因为彼此不会相互干扰。但正是这种不敏感性也使得它们很难被操控或切换。因此研究者转向铁磁化合物——两类磁性原子反向排列但未完全平衡的材料——把它们当作更易处理的替代品，能在一定程度上模仿反铁磁体，同时仍对磁场和电流有响应。

构筑隐藏的磁性边界

作者使用了一种由钆（Gd）和钴（Co）组成的铁磁合金，其中Gd和Co的磁矩相互指向相反。通过在不同层稍微改变Gd与Co的成分，他们在上层堆叠一个Gd占优的层，在下层堆叠一个Co占优的层。由于界面处原子有少量混合，成分从一层向另一层平滑过渡。在该过渡的中间，尽管Gd和Co的子磁矩仍相互对立，但净磁化几乎消失。这一区域自然形成了具有反铁磁特性的畴壁，像一条刀片般薄、对外场免疫的两个磁态之间的边界。

利用一种新型自旋流

为了操纵这个隐藏的边界，研究团队转向了磁性自旋霍尔效应——它是更常见的自旋霍尔效应的近亲，后者指电流产生自旋流。在通常的自旋霍尔效应中，自旋方向由晶体固定，与磁化无关，因此来自两层的贡献在界面处往往互相抵消。而在磁性自旋霍尔效应中，自旋-轨道耦合与磁化协同作用，使得自旋流的方向取决于磁矩的取向。在他们的GdCo双层中，传导电子主要跟随Co的磁矩。因为两层中的Co自旋方向相反，界面处产生的自旋流是相加而非抵消，从而产生一股强烈的面外自旋流。

观察并操控看不见的壁

这股面外自旋流像对界面畴壁施加了局部的磁性“推力”，使畴壁的一小部分磁化略微倾出薄膜平面。尽管整体磁化几乎为零，这一微小倾斜可以通过异常霍尔效应检测到——该电学信号能够追踪面外的磁性分量。通过在扫场和改变温度时测量霍尔电阻，研究者确认信号确实来自界面畴壁，且该畴壁本身表现出反铁磁、对外场免疫的特性。关键是，当他们改变电流的方向或强度时，霍尔信号呈线性变化，表明磁性自旋霍尔效应可以可靠地扭转畴壁的内部结构，甚至翻转其微观的“手性”。

从基础物理到未来存储

简单来说，研究展示了一种制造微小而稳固的磁性边界的方案，该边界对外界磁场不敏感，但对材料内部产生的自旋流高度敏感。通过精心设计铁磁双层并利用磁性自旋霍尔效应，作者实现了对非晶合金中类似反铁磁畴壁的电控。这种稳定性与可调性的结合，可能成为未来三维自旋电子存储的构件，其中信息存储在可被适度电流而非笨重磁场移动或重定向的畴壁堆叠中。

引用: Ko, S., Kim, H., Han, D. et al. Antiferromagnetic domain wall in ferrimagnetic bilayers controlled by magnetic spin Hall effect. npj Spintronics 4, 6 (2026). https://doi.org/10.1038/s44306-026-00126-2

关键词: 自旋电子学, 反铁磁体, 铁磁化合物, 自旋霍尔效应, 磁性存储