2013年，人們在磁性異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)了反常磁阻（UMR，unusual magnetoresistance）效應(yīng)——磁性材料的磁矩在垂直電流平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)會導致其異質(zhì)結(jié)電阻發(fā)生變化。作為自旋電子學領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)，該效應(yīng)對很多自旋電子學效應(yīng)的理解和應(yīng)用產(chǎn)生了重大影響。反常磁阻效應(yīng)的微觀物理機制最初被歸結(jié)為自旋霍爾磁電阻（SMR，Spin Hall magnetoresistance），即重金屬產(chǎn)生的自旋流受到磁矩取向相關(guān)界面反射重新進入重金屬后，通過逆自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生了縱向電導，改變了其電阻。這一模型被廣泛應(yīng)用于處理磁阻、自旋扭矩鐵磁共振、諧波霍爾電壓、磁場傳感、鐵磁/亞鐵磁翻轉(zhuǎn)和反鐵磁Néel矢量翻轉(zhuǎn)等一系列自旋電子學實驗中的反常磁阻和平面霍爾效應(yīng)，但其難以解釋重金屬自旋霍爾效應(yīng)強度，也無法解釋無自旋霍爾效應(yīng)體系廣泛存在的反常磁阻現(xiàn)象。應(yīng)解釋不同實驗結(jié)果的需求，人們又先后提出了Rashba 磁阻（無明顯自旋霍爾效應(yīng)但存在界面自旋軌道耦合的體系）、軌道磁阻（既無明顯自旋霍爾效應(yīng)也無明顯自旋軌道耦合）、反?；魻柎抛瑁ㄕJ為磁性材料反?；魻栃?yīng)產(chǎn)生了可以在界面發(fā)生不對稱旋轉(zhuǎn)和反射的自旋流）、晶體對稱性磁阻（認為單晶體系晶體對稱性導致的各向異性磁阻）等一系列模型。尋找反常磁阻效應(yīng)最本質(zhì)的物理起源，為不同材料體系、不同外在表現(xiàn)的實驗觀測建立一個簡單、統(tǒng)一、普適的物理圖像具有重要意義。

近日，中國科學院半導體研究所半導體芯片物理與技術(shù)全國重點實驗室朱禮軍研究員團隊與香港中文大學王向榮教授合作，在磁性單層金屬薄膜中觀測到了巨大的反常磁阻效應(yīng)及其高階效應(yīng)（cos2n θ，n ≥ 1）和磁矩在xy、xz和yz三個正交平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時反常磁阻滿足的加和關(guān)系（sum rule）。這一觀測與王向榮此前基于對稱性分析提出的雙矢量磁阻模型（two-vector UMR，Sci. Rep. 13, 309（2023））完美吻合，可通過磁矩（宏觀矢量m）和界面電場（宏觀矢量n）引起的電子散射理解，而無需涉及任何自旋流、軌道流或晶體對稱性。研究人員通過系統(tǒng)地復現(xiàn)文獻數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有文獻中用于支撐SMR及其他反常磁阻模型觀點的實驗數(shù)據(jù)的所有特征，均可以通過雙矢量磁阻模型解釋，無需考慮任何自旋流、Rashba效應(yīng)或軌道流。同時，該研究還系統(tǒng)列舉并討論了反對自旋流相關(guān)磁阻模型（如SMR等）而支持雙矢量磁阻的諸多實驗和理論結(jié)果。

該研究成果首次實驗證實了雙矢量磁阻模型，說明反常磁阻效應(yīng)不能作為特定微觀自旋流、軌道流等存在的判據(jù)，為理解不同自旋器件中反常磁阻效應(yīng)提供了簡單、統(tǒng)一、普適的物理圖像。該研究成果以“Physics Origin of Universal Unusual Magnetoresistance”為題發(fā)表在《國家科學評論》， 朱禮軍研究員為第一作者，朱禮軍研究員和王向榮教授為共同通訊作者。

圖1.（a）普適反常磁阻效應(yīng)及其三大特征，（b）鐵磁單層膜CoPt和Fe體系的反常磁阻及其高階效應(yīng)，（c）反常磁阻和自旋軌道矩（spin-orbit torque）缺乏直接關(guān)聯(lián)，說明自旋流不是反常磁阻的起源。