近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所邵定夫研究员课题组在反铁磁自旋电子学领域取得重要突破，提出了一种由反铁磁金属界面效应诱导强自旋极化新机制，并基于此理论设计出高性能共线性反铁磁隧道结（Yang et al., Newton 1, 100142 (2025)）。随后，团队与合肥工业大学王澜教授课题组合作，成功在实验上实现了该理论构想，在(Fe0.6Co0.4)5GeTe2/WSe2/(Fe0.6Co0.4)5GeTe2全反铁磁隧道结中观测到高达 75% 的隧道磁阻（TMR）效应。相关成果以“Interface-controlled antiferromagnetic tunnel junctions based on a metallic van der Waals A-type antiferromagnet”为题，发表于国际权威期刊 Nature Communications（Nat. Commun., 2025, DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66981-5）。
随着信息技术持续向更小尺寸、更高集成度和更低功耗方向发展，传统半导体器件逐渐逼近物理极限。自旋电子学通过同时调控电子的电荷与自旋自由度，被认为是突破现有技术瓶颈的关键方向。其中，反铁磁材料凭借无净磁矩、无杂散磁场、以及超快磁动力学响应等独特优势，有望满足下一代器件对小型化、高密度集成、低能耗运行、高速读写及高稳定性的多重需求，成为构建高性能自旋电子器件的理想候选体系。而基于量子隧穿效应的反铁磁隧道结（AFMTJ）是实现其应用的核心器件。然而，传统反铁磁材料本身缺乏宏观自旋极化，如何在其中实现可用于信息读取的显著隧道磁阻效应，一直是该领域亟待攻克的关键难题。
邵定夫研究员团队长期致力于反铁磁自旋电子学的基础理论研究。早在“交错磁体”（altermagnet）概念提出之前，团队便率先提出了基于动量空间自旋极化的反铁磁隧道磁阻方案（Nat. Commun. 12, 7061 (2021)），该方案已被后续实验证实。进一步从微观子晶格结构出发，团队揭示了由子晶格堆叠方式主导的自旋流与隧道磁阻新机制：在A型或C型反铁磁结构中，平行排列的子晶格可分别承载方向相反、隐藏于各子晶格内部的“奈尔自旋流”（Phys. Rev. Lett. 130, 216702 (2023)）。在此基础上，团队还提出了由铁磁链交叉堆叠而成的X型反铁磁结构，该结构展现出独特的子晶格选择性导电特性，可实现单一铁磁子晶格的“单独激活”，从而高效产生自旋流（Newton 1, 100068 (2025)）。上述基于实空间磁构型的理论研究，不仅为理解反铁磁体系的自旋输运行为提供了直观图像，也为反铁磁隧道结电极材料的筛选提供了坚实的理论依据。
基于上述理论分析，团队进一步提出由反铁磁金属界面效应诱导强自旋极化新机制：即通过界面效应（而非体效应）在反铁磁材料中诱导显著的自旋极化，产生强自旋输运，突破了“缺乏体自旋极化即无应用价值”的传统认知，极大拓宽了反铁磁自旋电子学的材料选择范围。基于该机制，团队选取具有PT对称性、自旋处处简并的二维范德华反铁磁体 (Fe,Co)nXTe2（X = Ge, Ga）作为电极材料，设计出全反铁磁隧道结。理论计算表明，(Fe,Co)nXTe2的A型反铁磁堆叠所形成的平整界面可有效产生自旋流，进而诱导出明显的隧道磁阻效应（Newton 1, 100142 (2025)）。
在理论研究的指导下，邵定夫团队与王澜教授团队合作，在实验上成功构筑了以(Fe0.6Co0.4)5GeTe2为电极、WSe2为隧穿势垒的二维全反铁磁隧道结。实验结果显示，即便两侧电极均为偶数层、整体无净磁矩，仍可通过施加外磁场翻转电极界面处的局部磁矩，并借助层间反铁磁耦合实现整个奈尔矢量的可控翻转。当两电极界面磁矩呈平行排列时，器件处于低阻态；反平行排列时则处于高阻态，最终实现了高达 75% 的隧道磁阻比值。进一步研究表明，通过设计一侧为奇数层、另一侧为偶数层的非对称电极结构，利用奇数层A型反铁磁体特有的自发交换偏置效应，在零外磁场下实现非易失性隧道磁阻。
该研究不仅首次在实验上实现了具有大隧道磁阻的全共线性反铁磁隧道结，更重要的是提出了一种界面效应驱动反铁磁自旋输运的新范式，也为深入挖掘反铁磁体系中长期被忽视的界面物理、探索新型自旋输运现象、以及开发下一代高性能自旋电子器件开辟了全新的技术路径。
相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院建制化科研平台项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66981-5
图1. 基于实空间反铁磁结构的自旋流产生机制和基于界面效应的反铁磁隧道结。
图2. (Fe0.6Co0.4)5GeTe2/WSe2/(Fe0.6Co0.4)5GeTe2全反铁磁隧道结的隧道磁阻效应。
