近日，同济大学物理科学与工程学院周仕明教授、时钟教授团队与复旦大学理论物理与信息科学交叉中心袁喆教授课题组合作，在二氧化钌（RuO₂）自旋电荷转换机制研究方面取得进展。研究发现，通过界面工程可有效调控RuO₂的自旋-电荷转化效率及极性符号，为理解交错磁体（Altermagnet）候选材料的物理特性及开发新型自旋电子学器件提供了新路径。相关研究成果以“Ferromagnetic Interface Engineering of Spin--Charge Conversion in RuO₂”为题，发表于国际物理知名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

RuO₂作为典型的交错磁体候选材料，因其非相对论性的“自旋劈裂效应”在高效自旋流-电流转换中具有巨大应用潜力。目前实验研究对于如何确认自旋劈裂效应以及RuO₂的磁态还存在一定争议。在本工作中，研究团队使用自旋泵浦技术系统测量RuO₂有效“自旋霍尔角”（衡量转换效率的关键参数），发现RuO₂表现出的自旋霍尔角符号在不同界面体系中截然相反：在RuO₂/YIG体系中为负，而在RuO₂/Py体系中为正。该行为与常规自旋转换材料，如Pt，截然不同。这种实验信号极性的不一致，长期以来导致学术界对其自旋流转化机制物理起源的认识存在显著争议。

图(a)Rashba效应示意图；(b)界面工程实现对RuO₂自旋霍尔角（SHA）的正负调控

针对这一问题，合作团队进一步设计了YIG/RuO₂/Py的“三明治”结构和在界面插入超薄金层的对照实验。当他们在RuO₂与YIG之间插入几纳米厚的金膜时，原本为负的自旋转换信号会反转为正。这一关键实验表明，RuO₂/YIG体系中主导机制为界面处的“逆Rashba-Edelstein效应”（IREE），而在RuO₂/Py体系中，则是RuO₂材料内部的“逆自旋霍尔效应”（ISHE）占据主导。

第一性原理计算从电子结构层面揭示了这一现象的根本原因。计算显示，在RuO₂的表面存在着“Rashba表面态”，它能高效地实现自旋与电荷的相互转换。但当RuO₂与金属性的Py接触时，两者在界面处电子能带发生强烈杂化，破坏了RuO₂表面的Rashba态，导致界面转换效应消失，而主要依靠RuO₂体材料本身的性质（正的ISHE）。而当RuO₂与绝缘性的YIG接触时，RuO₂费米面附近的Rashba态刚好落在YIG的能隙中，避免被杂化，使其得以完整保留，并产生较大且符号为负的界面转换效应（IREE），反转了总体的实验测量信号。

同济大学博士生杨栋超和复旦大学博士生李兆晴为论文共同第一作者，时钟教授和袁喆教授为共同通讯作者。同济大学周仕明教授为研究作出重要贡献。该研究工作得到国家重点研发计划及国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/rc4k-rf1p