NiO-Co-Pt磁異質結構中磁場對稱性調控磁輸運特性研究 | 進展

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

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

圖：磁場對稱性調控磁阻效應原理示意圖及實驗觀測結果 (a)磁場對稱性調控磁阻效應原理示意圖；(b) 反常霍爾效應誘導的非對稱磁電阻AS-MR效應；（c）可調預設磁場通過磁場對稱性實現非對稱磁電阻AS-MR、正向對稱磁阻FS-MR與反向對稱磁阻RS-MR間可逆轉變；（d）正向對稱磁阻FS-MR與反向對稱磁阻RS-MR間可逆轉變。

該成果的關鍵創新在于，創造性地通過預設磁場將磁場對稱性本身確立為一個獨立、可編程的序參量，從而實現了對磁阻響應函數拓撲構型的動態“寫入”與“擦除”。這一工作突破了傳統上依賴靜態材料設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設外場直接“裁剪”系統電學響應的全新路徑。這不僅為開發真正的預設場可編程自旋電子器件磁阻態提供了原理支撐，也標志著磁阻研究乃至功能材料領域從“靜態物性工程”向“動態(磁阻)對稱性控制與編程” 的范式轉變。

相關成果以“Field-Symmetry-Engineered Magnetotransport in Magnetic NiO/Co/Pt Heterostructures”為題，發表在Nano Letters雜志。中國科學院物理研究所M02組豐家峰副研究員為第一作者兼通訊作者，中國科學院物理研究所閆麗琴副研究員、同濟大學劉要穩教授和大連理工大學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項目和國家自然科學基金等項目的資助。

編輯：zzz