2013年，人们在磁性异质结中发现了反常磁阻（UMR，unusual magnetoresistance）效应——磁性材料的磁矩在垂直电流平面内的旋转会导致其异质结电阻发生变化。作为自旋电子学领域的重要发现，该效应对很多自旋电子学效应的理解和应用产生了重大影响。反常磁阻效应的微观物理机制最初被归结为自旋霍尔磁电阻（SMR，Spin Hall magnetoresistance），即重金属产生的自旋流受到磁矩取向相关界面反射重新进入重金属后，通过逆自旋霍尔效应产生了纵向电导，改变了其电阻。这一模型被广泛应用于处理磁阻、自旋扭矩铁磁共振、谐波霍尔电压、磁场传感、铁磁/亚铁磁翻转和反铁磁Néel矢量翻转等一系列自旋电子学实验中的反常磁阻和平面霍尔效应，但其难以解释重金属自旋霍尔效应强度，也无法解释无自旋霍尔效应体系广泛存在的反常磁阻现象。应解释不同实验结果的需求，人们又先后提出了Rashba 磁阻（无明显自旋霍尔效应但存在界面自旋轨道耦合的体系）、轨道磁阻（既无明显自旋霍尔效应也无明显自旋轨道耦合）、反常霍尔磁阻（认为磁性材料反常霍尔效应产生了可以在界面发生不对称旋转和反射的自旋流）、晶体对称性磁阻（认为单晶体系晶体对称性导致的各向异性磁阻）等一系列模型。寻找反常磁阻效应最本质的物理起源，为不同材料体系、不同外在表现的实验观测建立一个简单、统一、普适的物理图像具有重要意义。

近日，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室朱礼军研究员团队与香港中文大学王向荣教授合作，在磁性单层金属薄膜中观测到了巨大的反常磁阻效应及其高阶效应（cos2n θ，n ≥ 1）和磁矩在xy、xz和yz三个正交平面内旋转时反常磁阻满足的加和关系（sum rule）。这一观测与王向荣此前基于对称性分析提出的双矢量磁阻模型（two-vector UMR，Sci. Rep. 13, 309（2023））完美吻合，可通过磁矩（宏观矢量m）和界面电场（宏观矢量n）引起的电子散射理解，而无需涉及任何自旋流、轨道流或晶体对称性。研究人员通过系统地复现文献数据发现：现有文献中用于支撑SMR及其他反常磁阻模型观点的实验数据的所有特征，均可以通过双矢量磁阻模型解释，无需考虑任何自旋流、Rashba效应或轨道流。同时，该研究还系统列举并讨论了反对自旋流相关磁阻模型（如SMR等）而支持双矢量磁阻的诸多实验和理论结果。

该研究成果首次实验证实了双矢量磁阻模型，说明反常磁阻效应不能作为特定微观自旋流、轨道流等存在的判据，为理解不同自旋器件中反常磁阻效应提供了简单、统一、普适的物理图像。该研究成果以“Physics Origin of Universal Unusual Magnetoresistance”为题发表在《国家科学评论》， 朱礼军研究员为第一作者，朱礼军研究员和王向荣教授为共同通讯作者。

图1.（a）普适反常磁阻效应及其三大特征，（b）铁磁单层膜CoPt和Fe体系的反常磁阻及其高阶效应，（c）反常磁阻和自旋轨道矩（spin-orbit torque）缺乏直接关联，说明自旋流不是反常磁阻的起源。