近日，南京大學(xué)王學(xué)鋒教授、張榮院士團(tuán)隊(duì)與多個(gè)課題組合作，在鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)的自旋流輸運(yùn)與轉(zhuǎn)換方面取得系列進(jìn)展。相關(guān)成果分別以“Large Anomalous Hall Effect in a Noncoplanar Magnetic Heterostructure”和“Gate-Tunable Spin-to-Charge Conversion in Topological Insulator-Magnetic Insulator Heterostructures at Room Temperature”為題，作為內(nèi)封面（Inside Front Cover）和卷首插畫(huà)（Frontispiece）亮點(diǎn)文章的形式發(fā)表于國(guó)際知名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。

封面效果圖，分別被遴選為內(nèi)封面（Inside Front Cover）和卷首插畫(huà)（Frontispiece）。

自旋電子學(xué)主要利用電子的自旋特性存儲(chǔ)、傳遞和處理信息，具有低功耗、高速度和高效率等優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的快速發(fā)展。由自旋電子技術(shù)與集成電路技術(shù)相結(jié)合而成的自旋芯片技術(shù)大規(guī)模量產(chǎn)了高靈敏磁傳感器和非易失磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器等高端自旋芯片，被認(rèn)為是有望解決后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展所面臨的功耗瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，如何實(shí)現(xiàn)自旋芯片中更高效率的自旋輸運(yùn)與檢測(cè)以進(jìn)一步降低功耗（至fJ甚至aJ級(jí)）是面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。近年來(lái)，具有強(qiáng)自旋-軌道耦合屬性的新型自旋電子材料發(fā)展迅猛，有望實(shí)現(xiàn)器件的更高效率和超低功耗的自旋輸運(yùn)與檢測(cè)，這為基于自旋的集成電路和量子信息技術(shù)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。王學(xué)鋒教授課題組長(zhǎng)期聚焦自旋芯片中“自旋流高效產(chǎn)生”和“自旋流向電荷流的高效轉(zhuǎn)換”這兩個(gè)對(duì)器件性能起決定性作用的物理過(guò)程開(kāi)展系統(tǒng)性研究，2024年在《Nature Materials》和《Nature Communications》連續(xù)報(bào)道了在拓?fù)浔砻鎽B(tài)和關(guān)聯(lián)氧化物界面二維電子氣中實(shí)現(xiàn)巨大非互易自旋輸運(yùn)的觀察和通過(guò)對(duì)稱(chēng)性工程調(diào)控超快自旋光電流與太赫茲波高效發(fā)射的三個(gè)代表性創(chuàng)新成果（Nat. Mater. 23, 1208 (2024); Nat. Commun. 15, 2992 (2024); Nat. Commun. 15, 2605 (2024); Light Sci. Appl. 13, 181 (2024)）。然而，如何構(gòu)筑大面積高質(zhì)量的鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)以實(shí)現(xiàn)自旋流的高效產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換仍是尚未解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1. 非共面磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的巨大反常霍爾效應(yīng)

反?；魻栃?yīng)（AHE）是廣泛研究的自旋輸運(yùn)現(xiàn)象，在信息存儲(chǔ)和傳感器件中具有重要應(yīng)用。自斯格明子（skyrmions）發(fā)現(xiàn)以來(lái)，拓?fù)渥孕棙?gòu)（topological spin textures）一直是自旋電子學(xué)研究的熱點(diǎn)。這類(lèi)渦旋狀準(zhǔn)粒子可以攜帶拓?fù)潆姾?，在?shù)據(jù)存儲(chǔ)和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中顯示出應(yīng)用潛力，但在異質(zhì)界面處的拓?fù)渥孕棙?gòu)如何對(duì)AHE產(chǎn)生影響卻鮮有報(bào)道。

針對(duì)這一問(wèn)題，王學(xué)鋒教授課題組利用脈沖激光沉積技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底表面原位構(gòu)筑了高質(zhì)量Cr5Te6/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)，選擇10 nm厚的Cr5Te6薄膜作為磁性絕緣層，將不同Pt厚度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備成霍爾器件，輸運(yùn)結(jié)果表明器件中的自旋輸運(yùn)僅發(fā)生在Pt層，表現(xiàn)出明顯的AHE（圖1）。此外觀察到隨Pt厚度變化產(chǎn)生的信號(hào)反轉(zhuǎn)，這是由于厚度變化帶來(lái)的電子空穴互擴(kuò)散導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)附近貝里曲率的重建。其中，在3 nm Pt厚度的器件中反?；魻栯娮杪蔬_(dá)到最大114 nΩ?cm@5 K，該數(shù)值在所見(jiàn)報(bào)道的磁性絕緣體/重金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)中最大。結(jié)合第一性原理計(jì)算，進(jìn)一步確證了貝里曲率誘導(dǎo)巨大AHE的內(nèi)稟機(jī)制。

圖1. Cr5Te6/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁輸運(yùn)性能測(cè)試。

為觀察異質(zhì)界面處的拓?fù)渥孕棙?gòu)，利用低溫（10 K）、強(qiáng)磁場(chǎng)（9 T）磁力顯微鏡對(duì)其進(jìn)行實(shí)空間觀測(cè)（圖2），發(fā)現(xiàn)在0.6-0.65 T范圍內(nèi)，斯格明子的密度達(dá)到峰值，這與拓?fù)浠魻栃?yīng)在約 0.6 T 處出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象完美吻合。結(jié)合磁性測(cè)試結(jié)果分析，隨著Cr5Te6薄膜厚度的減小，其面內(nèi)各向異性逐步退化，有利于異質(zhì)界面處形成拓?fù)渥孕棙?gòu)，并與原子級(jí)模擬的結(jié)果相一致。通過(guò)對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中AHE的數(shù)值模擬，成功建立了實(shí)空間中的拓?fù)渥孕棙?gòu)與動(dòng)量空間中的貝里曲率之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示了拓?fù)渥孕棙?gòu)對(duì)AHE的作用機(jī)制（圖2j,k）。

圖2. Cr5Te6/Pt異質(zhì)結(jié)中斯格明子的磁力顯微鏡觀察及其原子級(jí)模擬。

該工作在非共面磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)Cr?Te?/Pt中實(shí)現(xiàn)了巨大的反常霍爾電阻率（114 nΩ?cm），是目前磁性絕緣體/重金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)中文獻(xiàn)公開(kāi)報(bào)道的最大值。第一性原理計(jì)算表明溫度變化和電子-空穴相互擴(kuò)散都導(dǎo)致了貝里曲率的重建。通過(guò)實(shí)空間的磁力顯微鏡技術(shù)直觀觀察到界面處存在的拓?fù)渥孕棙?gòu)，并通過(guò)原子級(jí)模擬進(jìn)一步證實(shí)拓?fù)渥孕棙?gòu)誘導(dǎo)AHE產(chǎn)生的關(guān)鍵作用。該工作為探索異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的顯著的AHE開(kāi)辟了新的思路，增強(qiáng)了人們對(duì)拓?fù)渥孕棙?gòu)與AHE關(guān)聯(lián)的理解，也為研制新型低功耗拓?fù)渥孕娮悠骷峁┝死碚摶A(chǔ)。

南京大學(xué)王學(xué)鋒教授、北京航空航天大學(xué)張悅教授和南京理工大學(xué)翟學(xué)超教授為該論文的共同通訊作者。南京大學(xué)博士生宋安柯、陳業(yè)全（現(xiàn)為南郵講師）、北京航空航天大學(xué)張金娥副教授和張志仲副教授為共同第一作者。張榮院士對(duì)該工作給予了重要指導(dǎo)，徐永兵教授、宋鳳麒教授和趙巍勝教授對(duì)該工作提供了重要幫助。南京大學(xué)為論文第一完成單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

2. 拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中柵壓可調(diào)的自旋-電荷高效轉(zhuǎn)換

自旋軌道力矩（SOT）是一種通過(guò)強(qiáng)自旋軌道耦合材料中的自旋積累施加在相鄰鐵磁層磁矩上的力矩，能夠有效操控鐵磁層的磁化方向，是開(kāi)發(fā)新型信息存儲(chǔ)和邏輯器件的重要機(jī)制。高效的自旋-電荷轉(zhuǎn)換（通常用自旋霍爾角θSH表征）對(duì)SOT器件的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。近年來(lái)，拓?fù)浣^緣體由于其拓?fù)浔砻鎽B(tài)的自旋-動(dòng)量鎖定特征而備受關(guān)注。然而，室溫下拓?fù)浣^緣體的體態(tài)由于缺陷存在而變得相當(dāng)導(dǎo)電，從而使得整體的θSH較低。因此，如何實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體電場(chǎng)可調(diào)的θSH仍是一大挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一問(wèn)題，王學(xué)鋒教授課題組致力于利用脈沖激光沉積方法探索大面積拓?fù)浣^緣體(Bi0.1Sb0.9)2Te3（BST）薄膜的快速制備，在磁性絕緣體YIG表面成功制備了高質(zhì)量的BST薄膜。隨后，進(jìn)行自旋泵浦-鐵磁共振測(cè)量以探究BST/YIG異質(zhì)結(jié)在室溫下的自旋流到電荷流的轉(zhuǎn)換（圖3）。在共振條件下，自旋流在YIG中生成并注入至BST層。BST的強(qiáng)自旋軌道耦合隨后將自旋流轉(zhuǎn)換為電荷流，從而產(chǎn)生顯著的自旋泵浦電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)分析共振場(chǎng)、共振頻率、半波寬等關(guān)鍵參數(shù)，以及自旋泵浦信號(hào)對(duì)BST薄膜厚度的依賴關(guān)系，計(jì)算得到的θSH為~0.76，對(duì)應(yīng)的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度λSD為6.25 nm。

圖3. BST/YIG異質(zhì)結(jié)中自旋泵浦-鐵磁共振的測(cè)量結(jié)果。

為了調(diào)控體態(tài)和表面態(tài)以實(shí)現(xiàn)更高的θSH，課題組利用原子層沉積技術(shù)在BST/YIG異質(zhì)結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步生長(zhǎng)了15 nm厚的Al2O3作為柵介質(zhì)層進(jìn)行電場(chǎng)調(diào)控（圖4）。在-2到3 V的柵壓范圍內(nèi)，磁場(chǎng)依賴的電壓信號(hào)隨柵壓顯著改變。這充分表明柵壓實(shí)現(xiàn)了室溫下對(duì)拓?fù)浣^緣體中自旋流到電荷流轉(zhuǎn)換效率的有效調(diào)控。為了揭示電場(chǎng)調(diào)控BST/YIG異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自旋流到電荷流轉(zhuǎn)換效率的機(jī)制，計(jì)算了BST薄膜中柵電壓依賴的載流子濃度以及θSH，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加正柵壓時(shí)，費(fèi)米能級(jí)上移使載流子濃度降低，在1 V時(shí)進(jìn)入帶隙，此時(shí)表面態(tài)中的逆Edelstein效應(yīng)占主導(dǎo)，對(duì)應(yīng)的θSH達(dá)到最大值~0.9，這是文獻(xiàn)公開(kāi)報(bào)道最大，凸顯了拓?fù)浔砻鎽B(tài)的關(guān)鍵作用。

圖4. BST/YIG異質(zhì)結(jié)中柵壓可調(diào)的自旋泵浦信號(hào)。

該工作在BST/YIG異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)了室溫下電場(chǎng)可調(diào)、文獻(xiàn)公開(kāi)報(bào)道最大的θSH，歸因于BST薄膜中的逆自旋霍爾效應(yīng)以及表面態(tài)的逆Edelstein效應(yīng)。通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控，BST的費(fèi)米能級(jí)被調(diào)至帶隙中，表面態(tài)的逆Edelstein效應(yīng)增強(qiáng)并主導(dǎo)了自旋流到電荷流的轉(zhuǎn)換，θSH相應(yīng)地從~0.76提升至~0.9。該工作為探索電場(chǎng)調(diào)控拓?fù)浣^緣體中的自旋-電荷轉(zhuǎn)換開(kāi)辟了新的思路，增強(qiáng)了人們對(duì)拓?fù)浔砻鎽B(tài)提升自旋流轉(zhuǎn)換效率的理解，也促進(jìn)了拓?fù)浣^緣體在低功耗自旋電子器件中的潛在應(yīng)用。

南京大學(xué)王學(xué)鋒教授和中科院微電子所邢國(guó)忠研究員為該論文的共同通訊作者。南京大學(xué)博士生孫文軒為第一作者。張榮院士對(duì)該工作給予了重要指導(dǎo)。南京大學(xué)徐永兵教授、賓夕法尼亞州立大學(xué)常翠祖教授對(duì)該工作提供了重要幫助。南京大學(xué)為論文第一完成單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。