近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、应用磁学中心、人工微结构和介观物理全国重点实验室罗昭初和杨金波与合作者在范德华反铁磁中实现了基于自旋轨道力矩效应的奈尔矢量电控翻转，并利用界面非共线自旋结构打破镜面对称性，在全范德华、全反铁磁异质结构中实现了奈尔矢量的零磁场翻转。相关成果以“范德华反铁磁中层数依赖的奈尔矢量自旋轨道力矩翻转” (Layer-dependent spin-orbit torque switching of Néel vector in a van der Waals antiferromagnet) 为题，于2025年10月7日在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

反铁磁材料具有超快自旋动力学、零杂散场、抗外磁场干扰的特点，有望构建高速度、高密度和高可靠性的磁存储器件。反铁磁自旋电子学的核心任务之一是通过电学手段操纵反铁磁序（即奈尔矢量）。二维反铁磁材料兼具范德华材料与反铁磁材料的双重优势，为探索新兴自旋效应提供了理想的研究平台。

在这项工作中，研究团队生长了具有垂直磁各向异性的范德华反铁磁 (Fe,Co)₃GaTe₂ (FCGT)单晶，制备了重金属Pt/FCGT二维薄片的高质量异质结器件。得益于FCGT的A-型反铁磁磁结构与范德华磁体层数可调、原子级平整界面的先天优势，可以在奇数层FCGT中利用层数依赖的本征净磁矩实现奈尔矢量的电学探测与操纵。研究团队在Pt/奇数层FCGT薄片体系中实现了基于自旋轨道力矩效应的电流驱动奈尔矢量翻转。通过实验结果结合宏自旋模型理论计算，揭示了反铁磁体的翻转行为相较于铁磁体系具有更高自旋轨道力矩效率（38 Oe MA^-1 cm²）、高稳定性与更快的翻转动力学。

图1 范德华反铁磁翻转机制与FCGT基本磁学性质

此外，研究团队通过构筑全范德华、全反铁磁异质结构（FCGT/CrSBr），利用二维反铁磁体界面耦合产生的非共线自旋织构打破体系的镜面对称性，进一步实现了奈尔矢量的零磁场翻转。

图2 全范德华、全反铁磁异质结体系中电流驱动奈尔矢量零磁场翻转

北京大学物理学院2023级博士研究生郭浩然、2019级博士研究生林中冲（现为福建师范大学副教授）为论文的共同第一作者。北京大学物理学院罗昭初助理教授、杨金波教授，中山大学侯仰龙教授、贠超副教授为共同通讯作者。论文的主要合作者还包括北京大学物理学院叶堉教授、材料科学与工程学院彭丽聪助理教授、上海科技大学祝智峰助理教授。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持。

论文原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-025-63966-2