image: 设计原则 (a) 基本构建单元由磁性原子（带圆圈的箭头）和带有电极化（PM）的极性分子组成，电极化方向由负电荷中心指向正电荷中心。(b) 平行（PP）和反平行（AP）的电极化形成通过平移和反演对称性相连接的的磁性子晶格，从而产生常规反铁磁（AFM）。(c) 非共线（NP）电极化构型通过旋转对称性连接磁性子晶格，产生具有自旋极化（PS）的交错磁体（AM）。在NP构型中翻转其中一个电极化即可反转PS。(d) 通过电极化实现PS的开启、关闭以及符号反转的示意图，其中电极化方向由水龙头手柄方向表示，自旋流由水流表示，自旋上（下）由红（蓝）颜色表示。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
现代计算机和存储芯片主要依赖电子电荷来处理信息。而“自旋电子学”利用电子的另一种内禀属性——自旋——来传输和运算信息，有望让器件速度更快、尺寸更小，并显著降低能耗。长期以来，如何通过电场精确调控自旋，而不依赖高能耗的磁场或电流，一直是该领域面临的核心难题。
来自宁波东方理工大学的周通研究团队在这一方向取得了重要进展。他们聚焦于一种新兴的磁性材料—交错磁体。此类材料虽然整体磁矩为零，却展现出独特的动量依赖自旋劈裂特性，既具备反铁磁体的高速切换能力，又像铁磁体一样易于调控和探测，因此被视为下一代自旋电子学的理想候选材料。
研究团队提出，将交错磁体与分子铁电材料相结合，可实现一种全新的电控磁性策略。分子铁电材料中的电极化能够在外场下灵活调节，并呈现多种排列方式。这一特性使得研究人员可以精确控制材料的自旋极化方向和强度，从而在不改变磁序的前提下，通过电场实现自旋极化的开启、关闭与符号反转。
通过理论模型和第一性原理计算，研究人员进一步表明，这一“分子铁电交错磁体”概念可在实验上已制备的材料体系中实现，包括有机–无机杂化钙钛矿和金属有机框架等。在这些体系中，极性分子的高度可调性为电学和磁学性质的操控提供了新可能，为构建灵活、低功耗的电驱动自旋电子器件奠定了基础。
尽管目前有机分子铁电交错磁体尚未在实验上确认，这一概念依旧具有重要的应用潜力。它为实现超低功耗、可电写入的自旋电子器件带来了全新的机制。随着反铁磁隧道结和自旋力矩技术的快速发展，基于电场调控的多铁自旋电子学正在逐步从概念走向现实。
Journal
Science China Physics Mechanics and Astronomy
Method of Research
Computational simulation/modeling