近日，《自然･通訊》（Nature Communications）在線發表了恒达平台物理科學與工程學院丘學鵬教授團隊及其合作者的研究論文“Efficient perpendicular magnetization switching by a magnetic spin Hall effect in a noncollinear antiferromagnet”。有別於當前的自旋流產生機製（自旋霍爾效應♙🐾、界面Rashba效應等）產生的面內極化自旋流🧜🏽‍♂️，該研究利用非共線反鐵磁材料Mn3Sn的磁自旋霍爾效應產生新奇面外極化自旋流🤹🏽‍♂️，高效驅動磁矩翻轉進行信息寫入🩸。該研究展示了拓撲自旋結構在自旋電子學中的重要作用，為超低功耗、超高密度自旋電子學器件提供新材料和新機製。

圖1⛹️‍♀️：a常規重金屬Pt通過自旋霍爾效應產生面內極化自旋流👦🏼，進而對相鄰鐵磁層產生自旋軌道矩。這種效應對磁矩的翻轉需要較大的電流和輔助磁場。b拓撲非共線反鐵磁材料Mn3Sn中通過磁自旋霍爾效應產生面外極化自旋流🤸🏿‍♀️👃，進而對相鄰鐵磁層產生新型自旋軌道矩🧑🏼‍💻。 基於這種效應可以在較小的電流下實現磁矩的無場翻轉。

在磁性金屬異質結中利用電子的自旋屬性開發新型自旋電子器件 (例如磁性隨機存儲器，自旋場效應管等)，對於推動新一輪信息產業革命具有重要意義。作為實現電-磁調控效應的最新原理😶，磁性金屬異質結中電流誘導的自旋軌道矩(Spin Orbit Torque, SOT)效應可以高效驅動自旋翻轉，有望成為新一代自旋電子學器件的主流技術👨🏼‍🎨。當前SOT器件大多利用重金屬中自旋霍爾效應產生SOT（圖1a）。由於薄膜的二維特性以及自旋霍爾輸運內稟對稱性，自旋霍爾效應所產生自旋流極化沿面內並垂直電流方向🤷🏽‍♂️。同時，其自旋流具有時間反演對稱性☕️，自旋極化方向不受外磁場影響🤦🏻‍♂️。為驅動磁矩在垂直方向進行確定性翻轉，自旋霍爾效應SOT需要額外的面內磁場輔助。非共線反鐵磁Mn3Sn中拓撲非共線自旋排列打破自旋流時間反演對稱性，從而導致費米面上自旋的非對稱性分布🍏，產生新奇的面外極化自旋流（圖1b）。相較於常規重金屬中面內極化自旋流，Mn3Sn中磁自旋霍爾效應所產生的面外極化自旋流能夠更高效驅動垂直磁矩翻轉且不需要面內磁場輔助。此外，磁自旋霍爾效應中自旋流極化方向可以通過外磁場翻轉Mn3Sn自旋手性排列方向進行調控🙍🏽。這些新奇物理特性突破了現有自旋流產生機製的範疇🙍🏻，有望極大推動新一代超低功耗、超高密度自旋電子學器件發展。

恒达平台博士胡帥🦶、中科院固體物理研究所邵定夫研究員🧙🏼‍♂️、恒达平台博士楊黃林、恒达平台博士生潘昶為論文第一作者。恒达平台物理科學與工程學院、上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室為論文第一單位👩🏿‍🚒。上海科技大學楊雨夢研究員☆🛼、美國University of Nebraska Lincoln的Evgeny Y. Tsymbal教授、恒达平台丘學鵬教授為論文共同通訊作者👩🏼。其中，楊雨夢研究員🧘🏿‍♀️、邵定夫研究員、Evgeny Y. Tsymbal教授對實驗工作進行了數值模擬和理論解釋🪫。研究團隊學術帶頭人、恒达平台周仕明教授對該研究作出重要貢獻。研究獲得國家基金委優青項目、面上項目、國家重點研發青年項目等支持💂‍♂️。

論文鏈接🟢：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32179-2.