新加坡国立大学重庆研究院首席研究员、新加坡国立大学材料科学与工程系陈景升教授领衔团队，在反铁磁自旋电子器件领域取得重大突破性进展！

陈景升 教授
新加坡国立大学重庆研究院首席研究员
新加坡国立大学材料科学与工程系教授
电气电子工程师学会会士 (IEEE Fellow)

陈景升教授的主要研究包括量子材料和拓扑材料，用于非易失性存储器和逻辑的自旋电子学器件和材料，异质结构铁电/铁磁多铁性，基于铁电器件、自旋电子器件的神经形态计算，强电子关联氧化物材料的磁学和电学性质等领域。

# 新突破：手性反铁磁材料垂直磁矩的翻转新机制

近年来，研究者发现非共线手性反铁磁材料，如Mn3X（X = Sn, Pt, Pd等），为解决传统反铁磁材料的性能瓶颈提供了可能性。由于该类手性反铁磁材料独特的Kagome晶格结构天然破坏了时间反演对称性（Time Reversal Symmetry），其独特的磁八极矩（moct）方向可以通过反常霍尔效应，隧道磁电阻效应等方法有效读出。因此，手性反铁磁材料被广泛认为是构建垂直反铁磁磁隧道结（MTJ）的可靠材料选择。

然而，利用SOT效应在手性反铁磁材料中进行信息写入目前仍有两大瓶颈：1）多晶反铁磁材料中moct仅能在垂直方向翻转60°，翻转比例较小；2）翻转过程仍需外部磁场打破翻转对称性，影响器件阵列可集成度。

陈景升教授团队提出并实现了一种手性反铁磁材料垂直磁矩的翻转新机制。他们巧妙地利用具有低晶体对称性的二维材料WTe₂作为自旋源层。WTe₂的特殊性质使其在电流驱动下能够同时产生面内（σy）和面外（σz）自旋轨道矩。
核心突破成果：
1. 替代外磁场： 面外SOT (σz) 成功替代了必需的外部磁场，打破了翻转对称性限制。
2. 实现180°垂直翻转： 在无任何外磁场条件下，仅通过纯电流，成功实现了硅基多晶Mn₃Sn薄膜中磁八极矩 (moct) 的180°垂直翻转（即完整的开关态切换）。
3. 高翻转效率： 实验测得翻转比例高达80%，远超传统方法的60%，确凿证明了moct的完全反转。
4. 超低功耗： 当WTe₂层厚度优化至132 nm时，实现翻转所需的临界电流密度低至1 mA/cm²，仅为传统重金属材料方案的十分之一左右，显著降低能耗。
5. 机制验证与稳定性： 实验观察到当电流沿WTe₂晶体的低对称性轴（a轴） 通过时，器件呈现清晰的电控翻转曲线；而沿高对称性轴（b轴） 则无翻转，有力证明了面外SOT (σz) 在定向翻转中的决定性作用。该无磁场翻转机制在不同WTe₂厚度（38-132 nm）器件中均稳定实现。
 
陈景升教授（右一）与团队成员合影

团队成员郑臻益和贾澜辛进行薄膜制备

# 引领未来应用

此项研究不仅成功解决了手性反铁磁材料信息写入的核心难题，其提出的利用低对称性材料产生面外SOT实现无场翻转的机制，具有普适性意义，理论上适用于各类具有垂直磁矩的反铁磁材料体系。

陈景升教授指出：“这项研究是反铁磁自旋电子器件面向应用迈出的一大步，为解决自旋电子器件在速度、功耗、集成度等方面的性能瓶颈提供了新的解决方案”。

该研究成果充分彰显了我院在先进材料与自旋电子器件领域的强大创新实力与国际引领地位。未来，研究院将以"打造世界一流产学研平台"为愿景，持续推动技术创新，加速科研成果转化，为全球信息技术进步贡献智慧与力量。

相关成果以“All-electrical perpendicular switching of chiral antiferromagnetic order”为题发表于国际顶级期刊《Nature Materials》（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02228-4）。


（来源：新加坡国立大学材料系微信公众号）