近日，《自然･通讯》（Nature Communications）在线发表了同济大学物理科学与工程学院丘学鹏教授团队及其合作者的研究论文“Efficient perpendicular magnetization switching by a magnetic spin Hall effect in a noncollinear antiferromagnet”。有别于当前的自旋流产生机制（自旋霍尔效应、界面Rashba效应等）产生的面内极化自旋流，该研究利用非共线反铁磁材料Mn3Sn的磁自旋霍尔效应产生新奇面外极化自旋流，高效驱动磁矩翻转进行信息写入。该研究展示了拓扑自旋结构在自旋电子学中的重要作用，为超低功耗、超高密度自旋电子学器件提供新材料和新机制。

图1：a常规重金属Pt通过自旋霍尔效应产生面内极化自旋流，进而对相邻铁磁层产生自旋轨道矩。这种效应对磁矩的翻转需要较大的电流和辅助磁场。b拓扑非共线反铁磁材料Mn3Sn中通过磁自旋霍尔效应产生面外极化自旋流，进而对相邻铁磁层产生新型自旋轨道矩。 基于这种效应可以在较小的电流下实现磁矩的无场翻转。

在磁性金属异质结中利用电子的自旋属性开发新型自旋电子器件 (例如磁性随机存储器，自旋场效应管等)，对于推动新一轮信息产业革命具有重要意义。作为实现电-磁调控效应的最新原理，磁性金属异质结中电流诱导的自旋轨道矩(Spin Orbit Torque, SOT)效应可以高效驱动自旋翻转，有望成为新一代自旋电子学器件的主流技术。当前SOT器件大多利用重金属中自旋霍尔效应产生SOT（图1a）。由于薄膜的二维特性以及自旋霍尔输运内禀对称性，自旋霍尔效应所产生自旋流极化沿面内并垂直电流方向。同时，其自旋流具有时间反演对称性，自旋极化方向不受外磁场影响。为驱动磁矩在垂直方向进行确定性翻转，自旋霍尔效应SOT需要额外的面内磁场辅助。非共线反铁磁Mn3Sn中拓扑非共线自旋排列打破自旋流时间反演对称性，从而导致费米面上自旋的非对称性分布，产生新奇的面外极化自旋流（图1b）。相较于常规重金属中面内极化自旋流，Mn3Sn中磁自旋霍尔效应所产生的面外极化自旋流能够更高效驱动垂直磁矩翻转且不需要面内磁场辅助。此外，磁自旋霍尔效应中自旋流极化方向可以通过外磁场翻转Mn3Sn自旋手性排列方向进行调控。这些新奇物理特性突破了现有自旋流产生机制的范畴，有望极大推动新一代超低功耗、超高密度自旋电子学器件发展。

同济大学博士胡帅、中科院固体物理研究所邵定夫研究员、同济大学博士杨黄林、同济大学博士生潘昶为论文第一作者。同济大学物理科学与工程学院、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室为论文第一单位。上海科技大学杨雨梦研究员、美国University of Nebraska Lincoln的Evgeny Y. Tsymbal教授、同济大学丘学鹏教授为论文共同通讯作者。其中，杨雨梦研究员、邵定夫研究员、Evgeny Y. Tsymbal教授对实验工作进行了数值模拟和理论解释。研究团队学术带头人、同济大学周仕明教授对该研究作出重要贡献。研究获得国家基金委优青项目、面上项目、国家重点研发青年项目等支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32179-2.