近日，beat365英国官网网站beat365英国官网网站勝獻雷教授、劉慧穎副教授團隊與集成電路科學與工程學院趙巍勝教授、張悅教授團隊及中國科學院物理研究所孫繼榮研究員團隊合作，在氧化物自旋電子學領域取得重要進展。該項工作基于強自旋-軌道耦合的鈣钛礦氧化物CaRuO3，利用對稱性失配與界面耦合作用打破了CaRuO3的晶體對稱性，獲得了面外極化的自旋流，并實現了無外磁場下高效驅動垂直磁矩翻轉。該項工作首次提供了一種基于晶體對稱性設計獲得面外極化自旋流的方法。相關研究成果以“Generation of out-of-plane polarized spin current by non-uniform oxygen octahedral tilt/rotation”為題于2024年8月25日發表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。
北航集成電路科學與工程學院博士後韓福榮、廣東松山湖材料實驗室張靜副研究員、北航beat365英国官网网站博士生楊帆為本論文共同第一作者，北航集成電路科學與工程學院張悅教授、中科院物理研究所孫繼榮研究員、北航beat365英国官网网站勝獻雷教授為本論文通訊作者，beat365英国官网网站為第一單位。其他合作者包括北航集成電路科學與工程學院趙巍勝教授、新加坡國立大學Jingsheng Chen教授、北航beat365英国官网网站劉慧穎副教授等。該工作獲得了國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及北航理工交叉融合十大科學問題“後摩爾時代集成電路的調控機制”等項目的支持。
源于自旋霍爾效應（spin Hall effect）或Rashba-Edelstein效應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，可用于構建高性能磁存儲器件和自旋邏輯器件。如果自旋流的極化方向限制在面内，在驅動垂直磁矩翻轉時就需要外磁場的輔助。反之，如果自旋流的極化方向沿面外，就能夠直接驅動垂直磁矩的翻轉，而不需要外磁場的輔助，從而避免了複雜的器件結構設計，在提高存儲密度方面具有顯著優勢。然而，具有高效自旋-電荷轉化效率的材料通常受到晶體對稱性的約束，很難實現面外極化自旋流，為器件發展帶來了挑戰。
為了解決這一難題，研究團隊構建了對稱失配的CaRuO3/LaAlO3異質結，由于界面耦合作用，RuO6八面體傾轉表現出非一緻性，破缺了螺旋軸和滑移面對稱性，降低了CaRuO3的晶體對稱性。根據對稱性分析，當CaRuO3晶體對稱性被破壞時，可以有效地産生面外極化的自旋流，并通過第一性原理計算驗證了這一推論。研究團隊利用自旋力矩-鐵磁共振（ST-FMR）技術探測到了由自旋流誘導的面外SOT，實驗結果進一步表明，CaRuO3中的面外極化自旋流在無外磁場下能夠高效驅動垂直磁矩翻轉。
圖1 CaRuO3/LaAlO3異質結的掃描透射電子顯微鏡圖像及八面體傾轉分析
圖2 晶體對稱性分析及密度泛函理論計算結果
圖3 CaRuO3中的自旋流在無外磁場下驅動垂直磁矩翻轉
這一成果展示了4d過渡金屬氧化物高效的自旋-電荷轉化性質，以及通過調控晶體結構實現特定極化方向自旋流的特性。此項研究開發了通過晶體對稱性調控工程來操控自旋流的新途徑，為開發高密度、低能耗自旋電子器件提供了重要的理論基礎和實驗依據。
北航beat365英国官网网站量子磁性與拓撲物理團隊長期緻力于凝聚态物理的前沿探索，尤其是磁性與拓撲導緻的新奇量子效應、現象和規律的研究。團隊現有青年教師9人，包括國家級青年人才4人。近幾年，團隊承擔了一系列國家級科研項目，并與集成電路學院聯合承擔了一項校“理工融合十大科學問題”，在國際高水平期刊Nature、Nat. Phys.、Nat. Comm、PRL等發表了一系列高水平研究論文。
原文鍊接
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51820-w
Furong Han, Jing Zhang, Fan Yang, Bo Li, Yu He, Guansong Li, Youxiang Chen, Qisheng Jiang, Yan Huang, Hui Zhang, Jine Zhang, Huaiwen Yang, Huiying Liu, Qinghua Zhang, Hao Wu, Jingsheng Chen, Weisheng Zhao, Xian-Lei Sheng, Jirong Sun, Yue Zhang. Generation of out-of-plane polarized spin current by non-uniform oxygen octahedral tilt/rotation. Nat. Commun. 15, 7299 (2024).
