NiO-Co-Pt磁异质结构中磁场对称性调控磁输运特性研究 | 进展

对称性作为支配物理系统结构与功能的基本法则，对其主动设计与调控是开发新型信息功能器件的核心前沿之一。长期以来，对磁阻等物理效应的调控主要依赖于静态的材料设计，使得器件功能在样品制备完成后即被固定，缺乏可重构性。如何将对称性从一种被动的系统属性转化为一个可主动调控的自由度，进而在单一磁性系统中按需实现不同对称性构型（如奇对称、偶对称等）之间的可逆切换，成为打破现有范式、实现功能可重构器件的关键科学瓶颈。这不仅是对自旋电子学领域的核心挑战，也触及如何在更广泛的物理系统中实现“功能按需编程”的普适性问题。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M02课题组丰家峰副研究员和韩秀峰研究员，与大连理工大学王译教授、同济大学刘要稳教授合作，首次在实验中利用磁场对称性（field symmetry）在NiO-Co-Pt磁异质结构中实现了室温下三种不同磁阻对称性构型之间的双向、可逆电学调控：非对称磁阻（AS-MR）、正向对称磁阻（FS-MR）与反向对称磁阻（RS-MR），如图a所示。该NiO-Co-Pt异质结构本身因反常霍尔效应而表现出典型的奇对称AS-MR行为（图b），其电阻响应满足Rxx(H) = -Rxx(–H)。研究团队通过精确预设磁场，成功诱导出两种偶对称磁阻态：FS-MR（图c）与RS-MR（图d）。其中，FS-MR满足+Rxx(H) = +Rxx(–H), 表现为正负磁场方向一致的向上电阻峰，对应于双高阻态构型；而RS-MR则遵循 -Rxx(H) = -Rxx(–H), 呈现为对称的一致向下电阻峰，构成双低阻态构型。转换的物理机制可归结为：在特定磁场对称性调控下，正负磁场方向的非对称电阻峰发生选择性反转，即一个磁场方向的电阻峰形发生“上-下”镜像翻转，而相反方向的电阻峰形保持不变（图a）。

图：磁场对称性调控磁阻效应原理示意图及实验观测结果 (a)磁场对称性调控磁阻效应原理示意图；(b) 反常霍尔效应诱导的非对称磁电阻AS-MR效应；（c）可调预设磁场通过磁场对称性实现非对称磁电阻AS-MR、正向对称磁阻FS-MR与反向对称磁阻RS-MR间可逆转变；（d）正向对称磁阻FS-MR与反向对称磁阻RS-MR间可逆转变。

该成果的关键创新在于，创造性地通过预设磁场将磁场对称性本身确立为一个独立、可编程的序参量，从而实现了对磁阻响应函数拓扑构型的动态“写入”与“擦除”。这一工作突破了传统上依赖静态材料设计来固定磁阻功能的范式，首次在单一铁磁材料体系中展示了利用预设外场直接“裁剪”系统电学响应的全新路径。这不仅为开发真正的预设场可编程自旋电子器件磁阻态提供了原理支撑，也标志着磁阻研究乃至功能材料领域从“静态物性工程”向“动态(磁阻)对称性控制与编程” 的范式转变。

相关成果以“Field-Symmetry-Engineered Magnetotransport in Magnetic NiO/Co/Pt Heterostructures”为题，发表在Nano Letters杂志。中国科学院物理研究所M02组丰家峰副研究员为第一作者兼通讯作者，中国科学院物理研究所闫丽琴副研究员、同济大学刘要稳教授和大连理工大学王译教授为共同通讯作者。该项研究得到了科技部国家重点研发项目和国家自然科学基金等项目的资助。

编辑：zzz