横向交换偏置调控原子级薄反铁磁体奈尔向量的新机制

《Nature Communications》：Lateral exchange bias for Néel-vector control in atomically thin antiferromagnets

本刊推荐：为解决原子级薄范德华反铁磁体（AF）中奈尔向量局域操控的难题，研究团队创新性提出横向交换偏置（LEB）机制，通过CrSBr阶梯状单晶结构中奇偶层间的一维界面交换作用，实现了对双层AF奈尔向量的非易失性调控。该研究利用扫描氮空位（NV）磁强计成像技术，首次在二维AF中实现磁畴壁的确定性写入，为超快自旋电子器件开发提供新范式。

　　

在自旋电子学领域，反铁磁材料因其对外部磁场的高抗干扰性和超快动力学特性，被视为下一代存储和计算器件的理想候选。然而，原子级薄的范德华（vdW）反铁磁体虽兼具二维材料可调控性与反铁磁序的优势，其核心序参量——奈尔向量（Néel vector）的局域化精确操控始终是悬而未决的难题。传统垂直交换偏置（EB）结构在范德华异质结中面临层间耦合弱、vdW间隙控制难等瓶颈，严重制约了其在纳米尺度自旋织构构建中的应用。

为突破这一局限，瑞士巴塞尔大学领导的国际合作团队在《Nature Communications》发表题为"Lateral exchange bias for Néel-vector control in atomically thin antiferromagnets"的研究，提出一种基于横向交换偏置（LEB）的创新调控机制。该机制巧妙利用CrSBr单晶的阶梯状解理特性，通过相邻奇偶层间的一维界面实现奈尔向量的非易失性控制，为原子级薄反铁磁体的纳米尺度操控开辟了新路径。

研究团队主要采用三项关键技术：首先通过化学气相传输法生长CrSBr单晶，并结合机械剥离技术制备具有原子级锐利界面的阶梯状样品；其次利用扫描氮空位（NV）磁强计实现纳米尺度磁成像，通过双等B场（Dual-Iso-B）和光探测磁共振（ODMR）两种模式分别完成自旋构型的快速评估与定量分析；最后基于微磁模拟软件MuMax3构建与实际样品几何一致的模型，对LEB诱导的磁畴演化进行数值验证。

横向交换偏置的可控性验证

研究选取由二、三、七层CrSBr构成的阶梯状样品（图1b），利用NV磁强计在4K温度下观测零场冷却后的自旋排列（图1a-i）。CrSBr作为易轴反铁磁体，其自旋在层内呈铁磁（FM）排列，层间呈反铁磁（AF）耦合，使得奇（偶）数层分别具有非零（零）净磁化强度。通过施加沿b轴的阶梯磁场（140mT→200mT→0mT），研究人员成功操控三层"控制层"的磁化方向，进而通过LEB效应调控双层区域的奈尔向量取向（图1a-ii-iv）。

LEB诱导的相壁导向效应

在双层处于FM-AF相共存区域（B_b≈144mT）时，NV磁学成像清晰捕获到相壁与七层"钉扎层"界面处的显著偏转现象（图2c）。理论分析表明，该偏转源于界面能的最小化驱动：当双层为FM序时界面能较高（相当于单层CrSBr头对头畴壁），而AF序时界面能取决于奈尔向量取向（图2d）。相壁通过形成类似流体润湿的"接触角"结构（图2e），使低能界面扩展而高能界面收缩，该现象被微磁模拟完美重现（图2f）。通过翻转控制层磁化方向重复实验，相壁偏转方向发生逆转（图2g-k），证实LEB对奈尔向量取向的控制权。

反铁磁畴壁的确定性写入

当磁场降至B_b=131mT时，双层完全进入AF相，先前相壁位置转化为清晰的AF畴壁（图3b-c）。该畴壁的杂散场信号源于外加磁场诱导的自旋倾斜，其位置可通过控制层磁化方向的预设进行编程（图3d-f）。对比实验表明，当控制层磁化方向使形核阶段奈尔向量取向一致时，最终无法形成畴壁（图3e），印证了LEB对畴壁写入的决定性作用。

反铁磁序的纳米装饰效应

研究还发现当AF畴壁穿越约200nm宽的三层延伸区域时（图4a），双层畴结构会通过AF层间交换作用印刻到该FM区域，使其分裂为双畴态（图4d）。定量磁测量显示，狭窄三层区域的畴壁杂散场强度比体相双层增强约25倍（图4e），这种"装饰效应"为零场下AF畴的探测提供了新思路。

本研究突破传统交换偏置的垂直结构局限，通过横向交换偏置机制将有效作用范围从纳米级提升至微米级，实现每个界面自旋控制目标层内延伸数微米的自旋链。该策略可推广至CrI₃、CrCl₃等A型范德华反铁磁体体系，为二维磁体中的畴壁物理研究、磁子-激子耦合调控以及量子器件构建提供全新工具包。这项成果不仅革新了对交换偏置物理的认知，更将原子尺度磁序操控推向新高度。