磁性随机存储器(MRAM)是后摩尔时代新一代存内计算最具潜力的技术方案之一。第二代自旋转移力矩型STT-MRAM已经量产，在航空航天、嵌入式存储和工业自动化领域具有广泛的应用，并且正在扩展在汽车电子和神经网络计算等领域的应用场景。松山湖材料实验室自旋量子材料与器件团队长期专注基于底层新材料、新效应和新机制的新型MRAM技术，近五年基于典型量子材料-拓扑绝缘体作为写入层开发了一系列超低功耗第三代拓扑SOT-MRAM器件，在国际上具有一定的代表性和影响力[Phys. Rev. Lett. 123, 207205 (2019); Adv. Mater. 31, 1901681 (2019); Nature Commun. 12, 6251 (2021); Nature Commun. 14, 5173 (2023); Adv. Mater. 35, 2302350 (2023); Adv. Electron. Mater. 11, 2500022 (2025)]。

近年来，新型交错磁体（非相对论反铁磁体）作为一类晶格与自旋结构解耦的新型对称性材料，被称作“第三类磁序”：一方面具备传统反铁磁体实空间零杂散场(高密度)和高频响应的优点；另一方面其动量空间各向异性的交错自旋劈裂/极化的类铁磁特性能够实现交错磁有序的有效的电学读写操作，解决了反铁磁材料长期处于“理论上有趣却难于应用”(引自Louis Néel-1970年诺奖) 的境地，并且可以通过波矢和奈尔序两个参量分别调控自旋流的运动和极化两个自由度。近期，科研人员通过自旋+角分辨光电子能谱（ARPES）证实其在动量空间能带结构中呈现独特的交错自旋劈裂/极化特征。

自旋量子材料与器件团队在国际上较早开展基于交错磁体的自旋极化相关输运特性研究：针对具有倾斜奈尔矢量的(101)-RuO₂交错磁体，采用脉冲激光沉积结合磁控溅射技术，成功制备出高质量RuO₂薄膜及RuO₂/NiFe磁异质结构；通过自搭建的自旋轨道力矩铁磁共振（ST-FMR）和自旋泵浦技术，揭示了RuO₂中与晶体取向相关的正-逆自旋劈裂效应（ASSE）诱导的各向异性电荷-自旋相互转换现象，且该现象具有显著的温度相关性。相关成果已发表于《先进科学》[Adv. Sci. 11, 2400967 (2024) ]，为新型交错磁自旋劈裂力矩驱动的磁随机存储器（SST-MRAM）研发提供了关键实验和技术支撑。

近期，团队在前期研究基础上进一步实现磁存储功能器件的开发，通过集成交错磁体作为写入层、磁性隧道结作为存储/读出层成功制备出无外磁场全电控的自旋劈裂力矩（SST）驱动MRAM器件，为未来高性能存储器发展奠定核心基础。课题组采用交错磁性(101)-RuO₂作为写入通道核心材料，在特定晶向（[010]方向）电流作用下，该材料可产生沿奈尔矢量倾斜的横向自旋电流，进而对相邻的垂直磁化层施加SST。此外，通过磁光克尔效应（MOKE）显微镜，直接观察到在无外加磁场时，SST驱动下存储层磁畴翻转的动力学过程。进一步成功将交错磁体(101)-RuO₂与尺寸为250 nm的磁隧道结（MTJ）进行集成，制备了室温下隧穿磁电阻（TMR）比达54%的SST-MRAM器件，该器件在2.1×10⁶ A·cm^-2的电流密度下，实现了磁隧道结的无外磁场全电控SST驱动的信息写入。本研究为推进基于交错磁体的SST-MRAM技术的发展奠定了坚实基础，更为未来开发全电控、低能耗、高耐久性且读写分离的新一代MRAM技术提供了具有自主知识产权的原创新与前瞻性技术方案。

相关研究成果以“Magnetic memory driven by spin splitting torque in nonrelativistic collinear antiferromagnet”为题发表在Nature Communications期刊，松山湖材料实验室为论文第一单位，郭雅琴博士、陈爱天博士和曾钊卓博士为论文第一和共同第一作者，吴昊研究员为论文通讯作者。

本工作得到了国家重点研发计划（2022YFA1402801）、国家自然科学基金（12504122、52271239、12304149 和 52311530674）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515110156、2022A1515110648、2023A1515010953 和 2023A1515110880）以及广东省量子科学战略计划（GDZX2302003 和 GDZX2301002）的经费支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-68065-w

图1. 交错磁体(101)-RuO₂薄膜产生z 极化自旋电流

图2. 基于交错磁体RuO₂的三端SST-MRAM器件结构示意图和读写测试