反鐵磁材料由于材料內部相鄰的不同磁晶格的磁矩相互抵消對外不表現宏觀磁性，這使反鐵磁材料的操控、探測和應用都存在巨大的困難。最近幾年，隨著相關新理論和新技術的發(fā)展，反鐵磁材料具有的超高抗磁場干擾能力以及超快動力學等特點受到了廣泛關注。但是，當前的科學研究普遍認為由于反鐵磁材料內部近鄰磁矩相互抵消，反鐵磁材料中無法產生自旋極化的電流，成為反鐵磁材料應用的瓶頸之一。

最近，東北大學材料學院張憲民教授研究組從打破反鐵磁材料對稱性考慮，提出在反鐵磁材料的特定晶向施加偏壓，進而打破反鐵磁材料中磁性亞點陣晶格的對稱性，誘導高效的自旋極化電流。該創(chuàng)新性理論工作以東北大學為第一單位發(fā)表在美國物理聯合會期刊[Applied Physics Reviews.7, 031405 （2020），期刊影響因子 17.0]，該工作被Editor選為Featured Article。同時，美國物理聯合會（AIP）以科學亮點（Scilight）撰寫了專題評論（鏈接https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0001675）。

該研究以（111）晶向的NiO反鐵磁材料作為傳輸層，以Au為電極構筑了Au/NiO（111）/Au結構的器件，如圖1所示。研究發(fā)現，不同偏壓下通過NiO（111）層的自旋向上和向下的電流曲線不重合，說明偏壓打破了NiO磁性亞點陣的對稱性并在反鐵磁材料中激發(fā)出了自旋極化的電流。圖1（e）表明偏壓為0.9V時，自旋極化率高達80%，這一數值是傳統(tǒng)鐵磁金屬（Fe、 Co和Ni）的三倍，顯示了在未來電子自旋器件中具有巨大的潛在應用價值。

圖1. （a） NiO的共線反鐵磁結構，（b） NiO的態(tài)密度，（c）設計的器件示意圖，（d）不同偏壓下自旋向上和向下的電流，（e）總電流和自旋極化率的偏壓關系。  

Au/NiO（111）/Au器件在0 V（圖2a）和1V（圖2b）偏壓下的自旋電子透射譜，圖2c為不同能量和偏壓下的自旋電子透射圖（紅線交叉區(qū)域對應偏壓窗口），顯示出具有很寬的電壓調控范圍。

圖2. 0 V（a）和1V（b）偏壓下的自旋電子透射譜，不同能量和偏壓下的自旋電子透射圖（c）。

隨著偏壓的升高，電流的自旋極化率可以從正值轉化為負值，顯示了豐富的科學奧秘。圖3為k分辨的自旋電子態(tài)密度。圖3 （a）和 （b）證實了0.9V附近正的高自旋極化率起源于NiO的表面態(tài)；圖3 （c）和 （d）證實了負的自旋極化率起源于高偏壓下NiO的導帶參與了電子的傳輸。

圖3. k 分辨的自旋電子態(tài)密度。能量為0.26 eV的界面處自旋向上（a）和自旋向下（b）；能量為0.8 eV的中間層自旋向上（c）和自旋向下（d）。

研究工作最后系統(tǒng)分析了NiO層數和界面無序對自旋電流傳輸效率的影響，表明了該研究思路具有普適性。該工作申請了中國發(fā)明專利（CN202010459827.4），論文的第一作者為材料科學與工程學院博士研究生仝軍偉，導師張憲民、秦高梧教授給予了系統(tǒng)指導，中國科學院蘇州醫(yī)工所周連群研究員和吉林大學田夫波教授等一起分析并討論了研究結果。該工作受到了國家自然科學基金（Nos. 51971057, 51675517）和中央高?；究蒲袠I(yè)務費（Nos. N180206003 and N2002023）的資助。