近日，6163银河线路检测中心凝聚态物理与材料物理研究所吕劲团队与新加坡科技设计大学Yee Sin Ang研究组合作，系统揭示了准层状交错磁材料中费米面平带结构在抑制动量空间自旋通道交叠方面的关键作用，为高性能交错磁隧穿结（AMTJ）的器件设计与材料筛选提供了明确的理论依据。相关成果以“Altermagnetic Flatband-Driven Fermi Surface Geometry for Giant Tunneling Magnetoresistance（基于交错磁平带的费米面几何设计实现巨隧道磁阻效应）”为题，发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。

   磁阻随机存储器（MRAM）兼具了高速、低功耗和高耐久度等优势，被认为是极具潜力的下一代非易失存储技术。磁隧穿结（MTJ）作为MRAM的核心器件，主要由两个磁性电极和中间的绝缘隧穿层构成，通过调控两侧电极磁矩的相对取向，来实现电阻的高低态切换。器件性能最关键的指标之一，是在平行与反平行磁构型下器件电阻变化的幅度，即隧道磁阻（TMR）。

   传统MTJ通常依赖铁磁材料作为电极，但铁磁体不可避免地会产生杂散磁场，对器件集成和稳定性方面造成一定限制。近年来兴起的交错磁材料（altermagnets）为这一问题提供了全新解决方案：这类材料在宏观上没有净磁矩，同时在能带结构中表现出类似铁磁体的自旋劈裂特征。换言之，交错磁材料同时具备无杂散场的反铁磁稳定性，以及自旋极化输运的铁磁功能性，非常适合用于自旋电子学和新型MTJ器件。

   在此背景下，研究团队选取了三种实验上已成功制备的交错磁材料——体态 V₂Te₂O、RbV₂Te₂O 以及 KV₂Se₂O 作为电极，系统研究了电极费米面结构对交错磁隧穿结（AMTJ）输运性质的影响。通过密度泛函理论结合第一性原理量子输运模拟，研究发现准层状的 RbV2Te2O 和 KV2Se2O 在费米能级附近存在交错磁平带结构，从而形成高度各向异性、近似二维的费米面。如图1所示，在这种情况下，不同自旋导电通道在动量空间中的交叠仅局限于节点区域，可显著抑制反平行态下的隧穿电流，进而实现极高的TMR。

图   1   ：不同电极费米面形状对交错磁隧穿结输运性质的影响

图2：(a) 基于KV2Se2O电极的AMTJ器件性能与其他代表性MTJ的对比；(b) 上述不同器件对应的结构设计与研究方法；(c) 典型MTJ器件结构示意图。

其中，KV₂Se₂O材料在费米能级处几乎实现了不同自旋导电通道的完全分离。基于这一特性，研究团队选取KV₂Se₂O作为电极，设计并模拟了交错磁隧穿结器件。结果表明，在采用真空势垒层的情况下，该器件即可实现高达4.3×10³ %的隧道磁阻。进一步，当引入晶格常数和对称性高度匹配的绝缘层材料后，器件的TMR可提升至1.1×10⁶ %，显著超越了传统铁磁MTJ以及其他代表性器件的性能（见图 2）。

该工作揭示了交错磁费米面平带对抑制自旋通道交叠、提升隧穿磁阻性能的关键作用，相关结果不仅证实了KV₂Se₂O在交错磁自旋电子学应用中的潜力，也为新型MTJ器件的材料筛选与结构设计提供了可推广的理论指导。

6163银河线路检测中心23级博士生杨星月是文章的第一作者，6163银河线路检测中心吕劲研究员与新加坡科技设计大学Yee sin Ang助理教授为本文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划和6163银河线路检测中心高性能计算平台等支持。

论文链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202531921