可调谐非常规自旋轨道转矩驱动范德华异质结的磁化动力学与无场翻转研究

《Nature Communications》：Tunable unconventional spin orbit torque magnetization dynamics in van der Waals heterostructures

本刊推荐：为解决传统自旋轨道转矩(SOT)器件效率低、需外磁场辅助的瓶颈，研究人员在TaIrTe4/Fe3GaTe2范德华异质结中开展非常规电荷-自旋转换研究。该工作通过二次谐波测试首次揭示了可调控的面外阻尼型转矩，实现了室温下1.81×1010A/m2的低临界电流密度无场磁化翻转，为高效自旋电子器件开辟了新路径。

　　

在追求更快、更节能信息存储技术的道路上，自旋电子学一直被视为后摩尔时代的重要发展方向。其中，基于自旋轨道转矩(Spin-Orbit Torque, SOT)的磁存储器因其高速、高耐久性而备受关注。然而，传统SOT器件面临两大核心挑战：首先，常规自旋轨道材料(如Pt、W)的电荷-自旋转换效率有限，导致操作电流密度过高；其次，产生的自旋极化主要局限于平面内方向，需要外加磁场才能实现垂直磁化翻转，这大大增加了器件设计的复杂性和能耗。

近年来，二维范德华(vdW)材料为突破这些限制带来了新希望。一方面，拓扑外尔半金属因其特殊的能带结构和强自旋轨道耦合，有望产生更高效的电荷-自旋转换；另一方面，新型范德华铁磁体如Fe_{32展现出高于室温的居里温度和强垂直磁各向异性(PMA)，是理想磁性单元。将这两类材料组合成全二维异质结，理论上可实现高效、无场的SOT翻转，但实验上对其自旋动力学特性和翻转效率的系统研究仍显不足。}

针对这一挑战，瑞典查尔姆斯理工大学Saroj P. Dash团队与合作者在《Nature Communications》发表了突破性研究。他们选择低对称性的外尔半金属TaIrTe₄与铁磁体Fe_{32构建范德华异质结，通过系统的自旋动力学测试，首次揭示了可调控的非常规面外自旋轨道转矩，并实现了迄今最高效的无场磁化翻转。这项研究为下一代低功耗自旋存储器件提供了理论与实践基础。}

研究方法上，团队采用机械剥离法制备TaIrTe₄/Fe_{32异质结器件，通过电子束光刻制作霍尔巴结构。利用二次谐波霍尔测试分析自旋转矩分量，结合变温（2-325K）和角度依赖的磁输运测量。通过脉冲电流测试磁化翻转特性，并基于密度泛函理论计算TaIrTe4的电子结构与自旋霍尔电导率。晶体生长采用自发助熔剂法（Fe32）和Te蒸发法（TaIrTe4），器件表征在量子设计PPMS系统和真空低温恒温器中完成。}

Ta₄IrTe₄中的可调自旋织构与非线性霍尔效应

研究首先发现Ta₄IrTe₄存在显著的非线性霍尔效应，其二次谐波电压随温度变化在-200K附近发生符号反转（图1c,d），这与外尔半金属中贝里曲率偶极子和化学势随温度偏移的特性一致。通过双线性磁电阻测量，团队观察到面外自旋倾角高达-(27±0.76)°（图1f），且该角度随温度可调，证明Ta₄IrTe₄能产生显著的面外自旋极化。

Fe₃GaTe₂的垂直磁各向异性

Fe₃GaTe₂表现出优异的铁磁特性，居里温度达(369.14±7.73)K（图2c），室温下各向异性场达~3.8T（图2f）。反常霍尔效应测试显示典型的方形磁滞回线（图2a,b），且在不同偏流下保持稳定，证明其强垂直各向异性可承受电流诱导的转矩作用。

异质结中的非常规自旋轨道转矩

角度依赖的二次谐波测试表明，传统SOT模型无法描述实验数据（图3b）。通过引入面外自旋极化贡献的修正模型，团队量化了三个方向的阻尼型转矩分量：H_DL^X/J_ac~(3.09±0.37)×10^-12TA^-1m²，H_DL^Y/J_ac~(2.43±0.28)×10^-12TA^-1m²，而面外分量H_DL^Z/J_ac高达(6.78±0.44)×10^-12TA^-1m²（图3g），显著高于面内分量。更重要的是，该面外转矩随温度可调（图3h），与Ta₄IrTe₄中自旋倾角的变化趋势吻合。

无场确定性磁化翻转

最引人注目的结果是室温下实现了无外磁场的完全确定性磁化翻转（图5c）。仅需3.5mA脉冲电流（对应电流密度1.81×10¹⁰A/m²）即可实现磁化状态切换，比现有技术低2-3个数量级。当施加面内偏置场时，翻转效率在正场方向保持稳定，而负场方向显著降低（图5d），这与非常规面外转矩的主导作用一致。通过反常霍尔环偏移测量得到的SOT效率参数达1.76，推算的自旋霍尔电导率高达1.65×10⁶?/2e (Ωm)^-1。

理论计算揭示非常规自旋霍尔效应起源

密度泛函理论计算表明（图6），Ta₄IrTe₄的低对称性晶体结构（空间群Pmn2₁）导致其自旋霍尔电导率张量存在非常规分量σ^ZX_SH，计算值1.56×10⁴?/2e (Ωm)^-1与实验测量相符。该分量主要来源于特定能带（图6b红色标记）的贝里曲率贡献，证明非常规自旋霍尔效应是体材料本征特性。

这项研究通过实验与理论的紧密结合，首次系统揭示了范德华异质结中非常规自旋轨道转矩的物理机制。其重要意义在于：一是发现了面外自旋极化分量主导的高效电荷-自旋转换，突破了传统SOT器件的对称性限制；二是实现了室温下低至1.81×10¹⁰A/m²的无场翻转电流密度，为实用化低功耗存储器奠定基础；三是证明了拓扑材料中自旋织构的可调性，为通过能带工程优化器件性能提供了新思路。

值得注意的是，不同器件中面外与面内转矩分量的比例存在差异，暗示界面自旋-轨道耦合可能对电荷-自旋转换效率有重要影响。这为后续研究指明了方向：通过调控异质结的堆叠角度和界面工程，有望进一步提升器件性能。该工作将拓扑量子材料与范德华磁体相结合，为探索低对称性材料中的自旋输运现象开辟了新范式，对发展后摩尔时代自旋电子技术具有里程碑意义。