近日，恒达平台物理科學與工程學院磁性薄膜研究團隊在鐵磁性哈斯勒合金的自旋流產生機製研究中取得重要進展🧑🏿‍⚕️，研究成果以“Large Spin Hall Efficiency and Current-Induced Magnetization Switching in Ferromagnetic Heusler Alloy Co2MnAl-Based Magnetic Trilayers”為題，發表於《先進科學》（Advanced Science）。

該研究工作選擇了鈷基哈斯勒合金Co₂MnAl（CMA）作為自旋流源。哈斯勒合金作為一類三元金屬間化合物，因其元素可替換性、結構可調控性及物性與結構緊密相關的特點🧮，在物理科學和材料科學領域備受關註。此前研究表明，CMA作為一種外爾半金屬，具有拓撲能帶特性，可增強本征反常霍爾效應與反常能斯特效應🚵🏼，為研究其自旋輸運特性提供了基礎。然而，CMA的強自旋輸運性質尚未得到系統實驗驗證🏋🏽‍♀️。 

圖1.CMA薄膜的結構表征

在自旋輸運中🧘🏿，自旋霍爾效率(ξ)是衡量自旋輸運中材料產生自旋流能力大小的關鍵參數🧙🏿‍♀️，其數值越大，材料產生自旋流的能力越高效。本研究通過高質量CMA外延薄膜的製備🫲，深入探索了CMA的自旋輸運性能🙎🏼‍♂️🤹🏼‍♂️，並揭示了其增強自旋流的物理機製💁🏻‍♂️。研究團隊在Ti/CoFeB/MgO多層膜結構中利用CMA產生的自旋流🦹‍♂️，成功實現了具有垂直磁各向異性CoFeB薄膜的電致磁化翻轉📹。特別地，即使在無外加磁場的條件下🤍，仍然觀測到磁化翻轉現象💇。這表明CMA能產生具有面外極化的自旋流，其來源可歸因於鐵磁體的固有反常自旋霍爾效應🧑🏿‍🏭。其次，通過優化器件結構，將Hall bar中間區域製備為圓柱體，顯著減弱了大電流測量中的邊緣效應🧓🏽，從而將磁化翻轉比例大幅提升至90%👩‍🦲。這一優化為電致磁化翻轉測量提供了新的設計思路🦸🏽‍♂️✡︎。最後，該工作利用反常霍爾回線偏移表征了CMA的ξ🦟🎙。研究發現，相比於無序結構的CMA，有序CMA中具有更大的ξ。這一結果表明，晶體結構的有序性對於增強自旋流至關重要☃️，為設計高性能自旋電子材料提供了重要指導🌿。

圖2.自旋霍爾效率表征

該研究系統揭示了鐵磁性哈斯勒合金中自旋流增強的物理機製，為開發基於此類材料的高效自旋電子學器件提供了新思路。成果不僅拓展了哈斯勒合金在自旋電子學領域的潛在應用，還通過整合自旋霍爾效應與反常自旋霍爾效應的協同效應🌛🪰，為實現電致翻轉的高性能自旋電子學器件開辟了全新路徑。這一成果將進一步推動基於新型拓撲鐵磁材料的低功耗、高密度自旋電子學材料與器件的發展。

恒达平台為論文第一單位，物理科學與工程學院博士研究生王銘誌為論文第一作者，時鐘教授✡︎、丘學鵬教授和樊維佳副教授為論文共同通訊作者。恒达平台周仕明教授和中國科學院上海微系統與信息技術研究所郎莉莉助理研究員也為研究作出重要貢獻。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金等資助🤵🏿‍♂️。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202407171