近日，北京航空航天大学物理学院胜献雷教授、刘慧颖副教授团队与集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、张悦教授团队及中国科学院物理研究所孙继荣研究员团队合作，在氧化物自旋电子学领域取得重要进展。该项工作基于强自旋-轨道耦合的钙钛矿氧化物CaRuO3，利用对称性失配与界面耦合作用打破了CaRuO3的晶体对称性，获得了面外极化的自旋流，并实现了无外磁场下高效驱动垂直磁矩翻转。该项工作首次提供了一种基于晶体对称性设计获得面外极化自旋流的方法。相关研究成果以“Generation of out-of-plane polarized spin current by non-uniform oxygen octahedral tilt/rotation”为题于2024年8月25日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊。
北航集成电路科学与工程学院博士后韩福荣、广东松山湖材料实验室张静副研究员、北航物理学院博士生杨帆为本论文共同第一作者，北航集成电路科学与工程学院张悦教授、中科院物理研究所孙继荣研究员、北航物理学院胜献雷教授为本论文通讯作者，北京航空航天大学为第一单位。其他合作者包括北航集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、新加坡国立大学Jingsheng Chen教授、北航物理学院刘慧颖副教授等。该工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及北航理工交叉融合十大科学问题“后摩尔时代集成电路的调控机制”等项目的支持。
源于自旋霍尔效应（spin Hall effect）或Rashba-Edelstein效应的自旋流使人们能够通过自旋-轨道力矩（Spin-Orbit Torque，SOT）有效地操控铁磁体中的磁矩，可用于构建高性能磁存储器件和自旋逻辑器件。如果自旋流的极化方向限制在面内，在驱动垂直磁矩翻转时就需要外磁场的辅助。反之，如果自旋流的极化方向沿面外，就能够直接驱动垂直磁矩的翻转，而不需要外磁场的辅助，从而避免了复杂的器件结构设计，在提高存储密度方面具有显著优势。然而，具有高效自旋-电荷转化效率的材料通常受到晶体对称性的约束，很难实现面外极化自旋流，为器件发展带来了挑战。
为了解决这一难题，研究团队构建了对称失配的CaRuO3/LaAlO3异质结，由于界面耦合作用，RuO6八面体倾转表现出非一致性，破缺了螺旋轴和滑移面对称性，降低了CaRuO3的晶体对称性。根据对称性分析，当CaRuO3晶体对称性被破坏时，可以有效地产生面外极化的自旋流，并通过第一性原理计算验证了这一推论。研究团队利用自旋力矩-铁磁共振（ST-FMR）技术探测到了由自旋流诱导的面外SOT，实验结果进一步表明，CaRuO3中的面外极化自旋流在无外磁场下能够高效驱动垂直磁矩翻转。
图1 CaRuO3/LaAlO3异质结的扫描透射电子显微镜图像及八面体倾转分析
图2 晶体对称性分析及密度泛函理论计算结果
图3 CaRuO3中的自旋流在无外磁场下驱动垂直磁矩翻转
这一成果展示了4d过渡金属氧化物高效的自旋-电荷转化性质，以及通过调控晶体结构实现特定极化方向自旋流的特性。此项研究开发了通过晶体对称性调控工程来操控自旋流的新途径，为开发高密度、低能耗自旋电子器件提供了重要的理论基础和实验依据。
北航物理学院量子磁性与拓扑物理团队长期致力于凝聚态物理的前沿探索，尤其是磁性与拓扑导致的新奇量子效应、现象和规律的研究。团队现有青年教师9人，包括国家级青年人才4人。近几年，团队承担了一系列国家级科研项目，并与集成电路学院联合承担了一项校“理工融合十大科学问题”，在国际高水平期刊Nature、Nat. Phys.、Nat. Comm、PRL等发表了一系列高水平研究论文。
原文链接
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).
