近日，北京航空航天大学物理学院量子磁性和拓扑物理研究方向刘慧颖副教授课题组及其合作者在《Physical Review Letters》上发表了题为“Intrinsic nonlinear spin hall effect and manipulation of perpendicular magnetization”的论文。

非线性输运效应提供了探测新的能带几何性质的手段，为材料表征和器件设计提供了新工具,具有广阔的应用前景。其中本征效应仅由能带结构决定，代表了材料的固有属性, 例如本征非线性霍尔效应与量子度规和贝里联络极化率密切相关。自旋霍尔效应是过去二十年着重研究的输运效应之一，而其对应的本征非线性效应，即本征非线性自旋霍尔效应的理论还未被提出。

该工作提出了一种本征非线性自旋霍尔效应的微观理论，揭示了该效应与能带几何量自旋贝里曲率极化率密切相关。研究发现本征非线性自旋霍尔效应在非中心对称的非磁晶体中广泛存在，特别是在21种非中心对称晶体类别中的19种里，该效应能够产生共线极化的自旋流，即自旋极化方向和流动方向平行或反平行的自旋流，从而提高翻转垂直方向磁矩的效率。通过Weyl模型计算，发现该效应的能带几何起源使其可以被材料的拓扑节点性质显著增强。结合第一性原理计算，在拓扑半金属PbTaSe2和PdGa中得到了显著的本征非线性自旋霍尔响应，相应的室温自旋霍尔角达到∼0.11。该研究建立了一个基本的本征非线性输运现象，也为垂直磁化的无磁场操控提供了新途径。

该工作由北京航空航天大学刘慧颖课题组、新加坡南洋理工大学高炜博课题组、复旦大学肖聪课题组和澳门大学杨声远课题组的研究人员共同完成。我校物理学院刘慧颖副教授为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金青年项目，国家重点研发计划等项目支持。文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.056301

图1 自旋霍尔流调控铁磁层垂直平面方向磁矩的示意图。传统自旋霍尔效应产生的自旋流自旋极化方向和流动方向垂直，而共线极化自旋流的自旋极化方向和流动方向共线。

图2 第一性原理计算PbTaSe2的(a)本征非线性自旋霍尔电导及(b,c)其动量空间分布，和(d)电流密度10⁶A/cm²时室温下的自旋霍尔角。