1. 引子

我們的先人用他們的足跡告訴我們，人類對電和磁的感受和認識應該與人類一樣長久。直到近代，現代電磁學才將電和磁的本質闡述清楚，構建了現代的信息與能源社會。因此，從任何意義上強調磁給我們人類的福音都不為過。反過來，人類為了豐富自己的生活，利用磁效應來實現各種魔幻生活的事例也比比皆是。這種頗具想象力的電磁生活永遠也不會停止、永遠都有驚奇與驚嘆，如此才將人類與一般動物區分開來。

到了今天，所有讀者都一定相信：磁性既展現出豐富的物理，也在被科技武裝到牙齒的現代生活中有著深刻體現。為了博取看君的眼球，我們在圖1 展示日本一家小企業利用磁懸浮來開發的一種園藝作品，在圖2 則展示利用磁流體來吞噬平板上的一塊磁性金屬塊。這些磁藝術作品，多有令人開懷與稱贊之用、活化我們每日沉悶的時光。

圖1. 一家日本公司利用磁懸浮來創造家中的園藝 (gif 動畫)。

圖2. 一種磁流體吞噬磁性金屬方塊 (gif 動畫)。

當然，如果用科學的語言去描述，我們知道：物理上，磁性材料是凝聚態和統計物理的寵兒和重點關愛對象；應用上，小到各種冰箱貼、醫療核磁共振，大到磁懸浮列車、暗物質探測、熱核聚變，都離不開磁的身影。近現代最著名的高科技實例當屬巨磁電阻效應 (GMR) 在信息存儲上的應用。這一應用極大提升了我們的生活水平和幸福指數，瑞典人獎勵發現者兩塊諾貝爾物理獎的牌子 (2007 年) 并不為過。

所有這些，無非是提示筆者和讀者，人類對磁 (電亦如此) 的認識和利用就如人生時光一般，既沒有開始，亦沒有終點。

2. 反鐵磁的青澀

就文字記載而言，人類對磁性的認知已有超過2000年的悠久歷史。迄今為止，從應用角度，我們所討論的基本上都著重于鐵磁性材料。簡單講，鐵磁性體系中自旋平行排列，具有宏觀凈磁矩，因此最能向外部展示磁的基本特性，易于被探測和感知。近代歷史上所有與磁有關的應用都基于鐵磁性被探測和被感知。因此，近現代磁學教程基本上都是鐵磁性的世界，道理即是如此。

顯然，自旋可以平行排列，當然也可以反平行排列，還可以不平行排列。那些不再展現宏觀磁矩的磁體或磁性，被稱之為反鐵磁。雖則與鐵磁性相對應，但自然界中反鐵磁體比鐵磁體要多得多。反鐵磁態作為一種性質在實際功能應用中最多也就是跑龍套的角色，比如高溫超導的母體、比如自旋閥的釘扎層，等等。正因為如此，雖然反鐵磁和鐵磁是一母所生的同胞兄弟，但人類認知反鐵磁的歷史遠比認識鐵磁的短，大約起始于1930年代，迄今不到100年。這種巨大的認知差異是有道理的，主要歸因于反鐵磁體沒有宏觀磁矩，無法與外部世界蕓蕓眾生之間建立探測、感知和驅動的“磁場”。

對反鐵磁的認知主要得益于現代中子散射技術的發展，由此我們能夠“看到”材料中自旋的排列方式，從而確認反鐵磁序的真實存在。Louis Néel先生1930年代就揭示了反鐵磁性的奠基性工作，但直到1970年才因此獲得諾貝爾物理獎，其原因也許就在于反鐵磁沒多大用處，除了理論上的意義。圖3展示了一個二維三角點陣中海森堡自旋系統的基態磁結構，要知道獲得如此這般的磁結構可是理論凝聚態物理和理論磁學的重要進展。

圖3.三角點陣中海森堡自旋長程序組態。

也許是諾貝爾獎的激勵，也許是人們對鐵磁的理解已經接近圓滿，那些不安分的物理人開始更多地關注反鐵磁性。梳理前因后果，可以看到相關研究大多還是集中于基礎性工作。因為實驗上反鐵磁序探測與操控的困難，技術上去利用反鐵磁來做什么很是不妙，很多嘗試似乎在冥冥之中不了了之。

好吧，即便如此，反鐵磁及其研究總算由小汪小溪進入到磁學的主流中了。既然進入，就有機會興風作浪！

圖4.不同構型的反鐵磁序。(a)經典反鐵磁序：自旋嚴格反平行排列。(b)、(c)分別示意Bloch型和Néel型斯格明子(Nature Mater. 14, 1116 (2015))。斯格明子一大特征是能在電流驅動下移動。(d)自旋呈三角形格子排列。Mn3Sn具有這種三角磁格子，表現出反常Hall效應(Nature 527, 212 (2015))。(e)螺旋自旋序是產生磁致多鐵性的典型自旋構型(Journal of Physics: Condensed Matters 7, 8605 (1995))。

3. 反鐵磁亦啟程

曾經有一篇綜述文章(Advancesin Physics 64, 519 (2015))開頭寫到：

We do not do the possible

While we do do some impossible

When an impossible goes to the possible

We are then asked what the possible deserves for

這首詩的思想很好地詮釋了反鐵磁研究領域近些年來的發展歷程。

例如，一些曾經只屬于鐵磁體的效應(自旋極化電流、反常Hall效應等)，也能夠在反鐵磁體中實現。過去若干年這方面的理論預言和實驗觀測并不少見。沿著這一方向，現在物理人也逐漸能夠利用磁場、電場、光場等多種方式來調控反鐵磁序，同時也能夠利用磁電阻等效應來讀取反鐵磁序。在反鐵磁排列方式上，物理人也早就將目光轉到那些非共線的反鐵磁模式，不再嚴格遵守自旋反平行排列的古板要求。最近備受關注的那些螺旋進動、海森堡三角、及至空間拓撲(渦旋、斯格明子)等等，都進入物理人的視界。
幾個典型實例顯示于圖4。這些材料、現象、以及物理太過于豐富，以至于形成了很多新的研究領域。典型的領域包括：多鐵性已蓬勃發展近20年，核心創新乃非共線磁結構產生鐵電極化；磁性斯格明子已稱為磁學人的新寵；自旋冰也成為物理人實現磁單極夢想的希望；如此等等。

雖然這些現象和物理本身紛繁復雜，但從應用角度，大家有著一個共同的指向：將反鐵磁納入光電子信息科學的麾下！這一次，推動這一指向變為潛在現實的，好像不是米國人、不是日本人和西歐人，而是中東歐捷克物理研究所的T. Jungwirth等一幫人。

反鐵磁自旋電子學也在這樣一個大的背景下應運而生。筆者以為，稱呼antiferromagnetronics似乎更為簡潔明了，而不要antiferromagnetic spintronics那么啰嗦！

圖5.鐵磁和反鐵磁作為存儲單元時，雜散場對存儲密度影響顯著 (圖片來自網絡)。

好吧，既然是反鐵磁電子學，從信息存儲和處理的角度來說，反鐵磁體有什么稟異之處？有的，反鐵磁電子學至少有如下四大獨特魅力：

高度穩定性：來源于反鐵磁體不表現出宏觀磁矩，因而對外界擾動不敏感(impossible--- possible轉變)。

適用于高密度信息存儲：如圖5所示，反鐵磁中自旋反平行，不會對遠處釋放任何雜散磁場去影響近鄰。這是典型的綠色環保自潔凈的存儲讀寫模式，因而信息存儲單元可以非常小。2012年，Loth等人在8個Fe原子組成的反鐵磁鏈上獲得了雙穩態，令人擊掌(Science 335, 196 (2012))。

快速信息處理：反鐵磁體中的自旋動力學響應在THz范圍，遠高于鐵磁體中的響應頻率( ~ GHz范圍)。

品種多、花樣豐富：相比于鐵磁體，反鐵磁體在自然界中有著更為廣泛的分布，品種也多很多，而且自旋構型非常多樣化。

這樣一些優勢似乎非常契合當前信息科學領域的發展目標，因此正在吸引大量物理人的注意。2018年3月，Nature Physics用了大量版面來討論反鐵磁電子學的方方面面。Review of Modern Physics也同期出版題為Antiferromagnetic spintronics的綜述。

4. 反鐵磁電子學

誠然，要把反鐵磁作為自旋電子學介質的優勢兌現，遠不是那么容易的事情。作為信息存儲單元，反鐵磁序的操控和讀取是最基本的兩個方面。用電學來讀寫感知可能是最為簡潔方便的模式。短短十年不到，物理人已經可以通過多種方式來調控反鐵磁序，實現多重狀態，雖然這方面仍有很大的優化和提升空間。作為一個例子，圖6展示了發布在Nature Physics上的一篇綜述文章總結出來的一幅電控反鐵磁電子學的宏偉愿景，顯示出物理人合縱連橫的本事和才華。

我們遵循這一模式，邁出了一小步、稍不尋常的一小步。

圖6.反鐵磁電子學中信息探測與操控的基本模式。

看君明白，在信息讀取上，受傳統GMR效應所獲成功到刺激，一個自然的想法是構建反鐵磁為主體的多層膜結構，獲得反鐵磁主導的GMR效應(簡稱AFM - GMR)。筆者不才，不敢貪功貪多，姑且只是沿著這一小道去做點工作。

事實上，相關的理論計算證實了這一想法的可行性，預言AFM– GMR的幅度原則上可與傳統GMR效應相比擬。不同的是，傳統GMR效應包含有顯著的層內散射，而AFM – GMR則是純粹的界面效應。例如，在反鐵磁／金屬／反鐵磁三明治結構中，如果界面處的自旋是極化的，則當兩個界面的極化自旋平行時，系統具有低電阻態；相反，如果反平行，則具有高電阻態。這完全符合傳統自旋散射輸運物理，但局限于界面發生。

然而，正是這一局限，給實驗探索帶來了很大困難。實驗上獲得(接近)完美的界面狀態極具挑戰；或者說只有少數腰纏萬貫的物理人可以用超高水準的MBE技術能夠做到，而物理人卻多是囊中羞澀之輩。這方面比較成功的例子當屬2011年在 NiFe / IrMn / MgO / Pt反鐵磁異質結中觀測到160 %的各向異性磁電阻效應(AMR)。然而，相關的重復實驗表明，這一結果強烈依賴于樣品，甚至在同一樣品中循環測量得到的結果可以顯著不同。

科學研究的目的就是前進、有條件前進、沒有條件創造條件亦前進！但偶爾，邁向這個目標的有效途徑之一卻是回頭看。例如，多鐵性與磁電耦合在1960年代受到不少關注。之后，這一領域沉寂數十年，直到新世紀初才再次回歸人們的視野，并成為凝聚態與材料科學的熱門領域。Néel先生在獲得諾獎時雖然對反鐵磁性表現出一定的“失望” (interesting but useless)，但他同時也指出(現在已是教科書知識)：與自發磁化成平方關系的效應應該同樣存在于鐵磁體系和反鐵磁體系中。

磁晶各向異性能是自旋取向的偶函數，因此通吃鐵磁性和反鐵磁性，符合Néel先生預想。這一能量項在電輸運上對應于各向異性磁電阻AMR。如圖7所示：當自旋指向不同晶向時，由于磁晶各向異性能的作用，系統的態密度會有差異，從而出現電阻率的高低。這一效應在強自旋-軌道耦合(SOC)體系中可以很大。2010年，捷克的那幫人理論預言反鐵磁體MnAu2和MnIr中自旋轉動時(5d金屬Au和Ir提供強自旋-軌道耦合)，態密度會發生顯著的變化，從而可能在自旋電子學中發揮重要作用。

這個理論預言物理圖像很清晰：增加反鐵磁體中的自旋-軌道耦合，獲得顯著的各向異性態密度。展現這一圖像的材料看起來難度不大，例如在磁性合金中熔入貴金屬即可。確實，在此之后，不少體系中都觀測到了反鐵磁性AMR效應。然而，事情總是一波三折，這些實驗觀測到的AFM – AMR數值普遍很小( < 1 %)。這么小的數值，對于已經習慣了?GMR?的物理人顯然是不會滿意的，對于實現高密度快速信息存儲的“宏偉”目標顯然也是不能接受的。

看君注意到，反鐵磁各向異性磁電阻(AFM– AMR)信號小這一問題，近期頻繁出現于若多高端綜述／展望，看來還是很重要的。怎么辦呢？！

圖7.上圖示意反鐵磁自旋指向不同晶向時，由于磁晶各向異性能作用，可以利用AMR效應讀取1和0兩個狀態。下圖顯示通過電流效應，翻轉反鐵磁序，實現1和0兩個狀態的轉換。圖中紅色和紫色箭頭表示自旋，金色線和箭頭表示電流(Nature Nanotech. 11, 231 (2016))。

5. 又是Sr2IrO4

要嘗試解決這么重要的問題，不妨再來回頭看看：

這些反鐵磁合金中，自旋-軌道耦合通常來自貴金屬，3d元素則提供磁性(因為磁矩大)。如果能將兩個因素集中到一種原子／離子上，或許能有所收獲。

AFM - AMR實驗觀測數值普遍小這一表象，可能暗示了物理上單純依賴于磁晶各向異性能還不夠，需要更多的物理因素參與進來，共同作用。

形成反鐵磁類自旋閥結構，也不一定是人工多層膜，可以是單相體系。其中，層狀鈣鈦礦錳氧化物(Ruddlesden - Popper化合物，有別于當前火熱的低維材料)中就曾經觀測到了很強的GMR效應。這種層狀結構類似于GMR多層膜，但“界面”質量可以很高，因為人家是天然形成的。

尋找這樣的材料當然不是那么容易。物理人尋找材料的歷程從來就是悲壯而幸運的。悲壯是指物理人關注的絕大多數材料都是曇花一現，將效應展示完了就使命完成。幸運是指自然界有那么一些材料堪稱金牌，它們金身不壞、八面玲瓏、可風可雨、山高水長。例如，半導體中的Si是如此、多鐵性中的BiFeO3是如此、當下的石墨烯和碳納米管更是如此。它們無所不能、無所不包！

環視一周，筆者覺得反鐵磁材料Sr2IrO4也是如此。這一體系是Ruddlesden – Popper化合物之極品，其擁有的本事覆蓋很多學科。高溫超導物理就將這一體系作為超導母體的對象，在其中翻手為云覆手為雨，解剖了多年。

很有意思的是，對AFM – AMR，Sr2IrO4似乎是個不錯的選擇：Ir提供磁性和強自旋-軌道耦合，并且這個材料是層狀結構，如圖8所示。意外的收獲是：Sr2IrO4好象也是銥氧化物中凈磁矩最大的。

圖8. (a) Sr2IrO4的層狀結構示意圖：由IrO6八面體層和SrO層(未顯示)沿c軸堆垛而成。(b) Ir磁矩反鐵磁排列，但呈現一定的傾斜角，使得層內出現凈磁矩(綠色箭頭)。磁場作用下，沿c軸反鐵磁排列的凈磁矩被翻轉，形成鐵磁排列狀態。(c)對應磁化上出現快速上升，而電阻則顯著下降，類似于GMR效應。這一效應呈現出面內的各向異性特征。

圖9. (a) Sr2IrO4中各向異性磁電阻效應在0.1 T

基于這一想法，筆者與華中科技大學、東南大學、南京大學、武漢大學和美國Rutgers大學的同行合作，深入研究了Sr2IrO4單晶中的各向異性磁電阻效應。通過實驗測量，我們看到晶體中的AMR數值可以高達160 %。而借助于理論挖掘，我們相信這一巨大效應來源于類GMR效應和磁晶各向異性能的共同作用(雙機制復合)。進一步，利用微量Ga替代其中的Ir，我們也觀測到零磁場下的非揮發性記憶效應，記憶阻態之間的轉換可以通過原位加磁場實現，如圖9所示。

這一工作最近以“Giant anisotropic magnetoresistance and nonvolatile memory in canted antiferromagnet Sr2IrO4”為題發表在Nature Communications 10, 2280 (2019)上。看君有意，可點擊本文最后的“閱讀原文”，御覽其中端倪。筆者相信，其中故事還是有血有肉的。