科技日报记者 张佳欣
反铁磁材料因其潜在的高速信息处理能力，近年来受到科学界高度关注。但由于其自旋信号难以探测与控制，长期不能得到实际应用。据最新一期《科学》杂志报道，包括美国康奈尔大学在内的研究团队报告称，他们利用二维反铁磁材料与隧道结结构，首次在微米尺度下实现了对反铁磁自旋共振的电信号探测和可控调节。这一技术将有望应用于下一代高速、自旋电子器件。
反铁磁材料和铁磁材料一样，由具有“自旋”的原子组成。在铁磁材料中，这些原子的自旋方向整齐排列，形成可被探测的外部磁场；而在反铁磁材料中，自旋相互抵消，整体上不产生外部磁场。因此，反铁磁材料的自旋运动既难以探测，也难以控制。
以往对反铁磁自旋动力学的探测都是在毫米尺度甚至更大的样品上进行的，这种尺寸根本无法应用于真正实用的器件中。而此次研究中，研究团队制造出的是微米级别的器件，尺寸缩小了近千倍，并能在其中探测到强烈信号。
此次成功的关键在于，研究团队利用量子力学中的“隧穿效应”，即电子可穿越常规物理势垒的现象，构建出一种可读取自旋变化的隧道结。当反铁磁材料内部的自旋方向发生变化时，隧穿电子的电阻也随之改变，从而实现高速电信号读取。
最新研究还融合了自旋电子学与二维材料两个前沿领域。团队利用“自旋轨道转矩”机制，通过电流激发自旋流，对材料中的自旋结构施加“扭矩”，实现有效调控。
该成果标志着反铁磁材料研究迈出从“难以利用”到“可读可控”的关键一步，为开发新一代低功耗、高速运算芯片提供了全新路径。
