西安交大科研人员实现电场大范围调控自旋霍尔角

通过自旋轨道矩(SOT)实现电流驱动磁化翻转的方法，具有响应快、功耗低、高稳定性等天然优势，是开发下一代自旋存储和逻辑器件的重要基础。基于这一原理设计的自旋轨道矩磁随机存储器(SOT-MRAM)有望成为新一代超高性能非易失性存储器，具有广阔的应用前景。

在该器件中，电流流经具有强自旋轨道耦合的非磁性材料并转化为自旋流注入临近的铁磁层中实现磁化翻转。自旋霍尔角作为衡量电荷流与自旋流转化效率的关键参数，直接影响到整个存储器件的性能与功耗表现。因此，寻找具有强自旋轨道耦合与高自旋霍尔角的材料，是构建低功耗自旋转矩器件的核心诉求。近年来有报道Bi2Se3、Bi2Te3等拓扑绝缘材料凭借其独有的自旋-动量锁定机制而具有极高的自旋霍尔角。如何通过原理与技术创新，对材料的自旋霍尔角实现调控与增强，在当今自旋电子学领域具有重要的理论和应用价值。

针对上述科学问题，西安交通大学电信学部刘明教授团队在PMN-PT衬底上构建了Bi2Se3/NiFe结构的霍尔器件。通过在衬底上原位施加纵向电场对Bi2Se3自旋霍尔角进行调控，调控效果具有良好的稳定性与可回复性，最高实现了Bi2Se3自旋霍尔角600%的增强。

通过设计对照实验表明对Bi2Se3自旋霍尔角大范围调控与增强的机理源自铁电衬底的电致应力与极化翻转所带来的表面电荷掺杂的双重作用。第一性原理计算表明应力与电荷掺杂可以显著改变Bi2Se3费米能级处的贝里曲率，进而对自旋霍尔角产生有效调控。该工作对自旋霍尔角的大范围调控与增强可有效降低SOT-MRAM器件中磁化翻转所需的临界电流，在设计低功耗与可调谐自旋电子器件中具有重要意义。

该研究结果以“电场大范围调控Bi2Se3自旋霍尔角”(Giant tunable spin Hall angle in sputtered Bi2Se3controlled by an electric field)为题，在国际著名期刊《自然通讯》(NatureCommunications)上发表，西安交通大学为该论文唯一署名单位。电信学部电子科学与工程学院博士生鲁琦、材料科学与工程学院青年教师李平为论文共同第一作者。刘明教授、郭志新教授及青年教师董国华为论文共同通讯作者。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29281-w

刘明教授团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/mingliu