近日，北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院趙巍勝教授、張悅教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所孫繼榮研究員團(tuán)隊(duì)與北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院勝獻(xiàn)雷教授團(tuán)隊(duì)合作，在氧化物自旋電子學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)基于強(qiáng)自旋-軌道耦合的鈣鈦礦氧化物CaRuO3，利用對(duì)稱性失配與界面耦合作用打破了CaRuO3的晶體對(duì)稱性，獲得了面外極化的自旋流，并且實(shí)現(xiàn)了無外磁場(chǎng)下高效驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)。本工作首次提供了一種基于晶體對(duì)稱性設(shè)計(jì)獲得面外極化自旋流的方法。2024年8月25日，相關(guān)研究成果以“Generation of out-of-plane polarized spin current by non-uniform oxygen octahedral tilt/rotation”為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。

北航集成電路科學(xué)與工程學(xué)院韓福榮博士后、廣東松山湖材料實(shí)驗(yàn)室張靜副研究員、北航物理學(xué)院楊帆博士為本論文共同第一作者，北航集成電路科學(xué)與工程學(xué)院張悅教授、中科院物理研究所孫繼榮研究員、北航物理學(xué)院勝獻(xiàn)雷教授為本論文通訊作者，北京航空航天大學(xué)為第一單位。其他合作者包括北航集成電路科學(xué)與工程學(xué)院趙巍勝教授、新加坡國(guó)立大學(xué)Jingsheng Chen教授等。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及北航理工交叉融合十大科學(xué)問題“后摩爾時(shí)代集成電路的調(diào)控機(jī)制”等項(xiàng)目的支持。

源于自旋霍爾效應(yīng)（spin Hall effect）或Rashba-Edelstein效應(yīng)的自旋流使人們能夠通過自旋-軌道力矩（Spin-Orbit Torque，SOT）有效地操控鐵磁體中的磁矩，是構(gòu)建高性能磁存儲(chǔ)器件和自旋邏輯器件的基礎(chǔ)。在對(duì)稱性的約束下，自旋流的極化方向限制在面內(nèi)，在驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)需要外磁場(chǎng)的輔助。而面外極化的自旋流能夠直接驅(qū)動(dòng)垂直磁矩的翻轉(zhuǎn)不需要外磁場(chǎng)的輔助，也避免了復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在提高存儲(chǔ)密度方面具有優(yōu)勢(shì)。然而，具有高效自旋-電荷轉(zhuǎn)化效率的材料通常受到對(duì)稱性的約束，打破晶體對(duì)稱性獲得面外極化自旋流難以實(shí)現(xiàn)。

為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了對(duì)稱失配的CaRuO3/LaAlO3異質(zhì)結(jié)，由于界面耦合作用，RuO6八面體傾轉(zhuǎn)表現(xiàn)出非一致性，成功打破了螺旋軸和滑移面對(duì)稱性，降低了CaRuO3的晶體對(duì)稱性。密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)CaRuO3晶體對(duì)稱性被破壞時(shí)，可以有效地產(chǎn)生面外極化的自旋流。研究團(tuán)隊(duì)利用自旋力矩-鐵磁共振（ST-FMR）技術(shù)探測(cè)到了由自旋流誘導(dǎo)的面外SOT，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，CaRuO3中的面外極化自旋流在無外磁場(chǎng)下能夠高效驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)。

圖1. CaRuO3/LaAlO3異質(zhì)結(jié)的掃描透射電子顯微鏡圖像及八面體傾轉(zhuǎn)分析

圖2. 晶體對(duì)稱性分析及密度泛函理論計(jì)算結(jié)果

圖3. CaRuO3中的自旋流在無外磁場(chǎng)下驅(qū)動(dòng)垂直磁矩翻轉(zhuǎn)

這一成果展示了4d過渡金屬氧化物高效的自旋-電荷轉(zhuǎn)化以及晶體結(jié)構(gòu)易于調(diào)控的特性。此項(xiàng)研究開發(fā)了通過晶體對(duì)稱性工程來操控自旋流的新途徑，為開發(fā)高密度、低能耗自旋電子器件提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

北航集成電路科學(xué)與工程學(xué)院張悅教授團(tuán)隊(duì)依托“自旋芯片與技術(shù)”全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“數(shù)字感知芯片技術(shù)”全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室， 瞄準(zhǔn)科研前沿，長(zhǎng)期致力于自旋電子學(xué)、自旋存算一體器件、超低功耗集成電路設(shè)計(jì)等研究方向，并取得一系列進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、Applied Physics Reviews、Advanced Functional Materials、Nano Letters等國(guó)際知名期刊。