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自旋霍爾效應實現了電荷電流和自旋電流之間的有效轉換，基於此的自旋軌道矩可以透過電流驅動磁翻轉，是現代自旋電子學的關鍵領域。低功耗、定向性的磁翻轉需要自旋電流的自旋極化方向與磁矩方向共線。然而，對稱性限制自旋極化指向面內方向，不利於適用於高密度儲存的垂直磁化磁儲存單元翻轉。這意味著更大的器件功耗，並且通常還需要外加磁場誘導的對稱性破缺以實現定向性磁翻轉。因此，如何調控自旋極化方向成為該領域亟需解決的科學問題，在磁隨機儲存器中有重要應用價值。
在常規的自旋霍爾效應中，對稱性要求電荷電流、自旋電流和自旋極化方向互相垂直。降低自旋電流源材料的對稱性，有可能使自旋極化方向發生偏移。結合對稱性分析和理論計算，作者實驗發現反鐵磁Mn3GaN中具有較大的非常規自旋霍爾效應/自旋軌道矩，即體系存在與電荷電流方向平行（面內x方向）或與自旋電流方向平行（面外z方向）的自旋極化，有別於常規自旋霍爾效應產生的自旋極化（指向面內y方向）。其中，面外自旋極化可以在零外加磁場條件下更有效的驅動垂直磁化翻轉。
此前該團隊曾在Science Advances上發表研究論文“Epitaxial antiperovskite/perovskite heterostructures for materials design”（6，eaba4017，2020），報道了反鈣鈦礦結構的Mn3GaN外延薄膜在幾種鈣鈦礦氧化物襯底上的獨特介面結構，並預測這種阻挫量子自旋材料由於其獨特的對稱性和自旋結構會在自旋電子器件中有很大的應用潛力。
Mn3GaN的反鐵磁矩呈三角形排列，這種非共線自旋結構可以有效降低體系對稱性，產生的自旋電流具有三種不同的自旋極化方向（圖一）。在高質量的Mn3GaN/坡莫合金外延異質結中（圖二），作者透過自旋轉矩鐵磁共振實驗成功觀測、區分且分別量化了具有不同自旋極化方向的自旋軌道矩效率（圖三）,並發現其與理論計算結果相吻合。在Mn3GaN材料反鐵磁-順磁相變過程中，結合中子衍射表徵的自旋結構，作者發現隨著非共線反鐵磁性的消退，非常規自旋軌道矩消失（圖四），進一步驗證了反鐵磁材料自旋結構和非常規自旋霍爾效應的強關聯性。本文提出的透過對材料自旋結構設計控制自旋極化方向的策略為反鐵磁自旋電子器件開闢了新的道路。
清華大學微電子所南天翔助理教授為論文第一作者，威斯康辛大學麥迪遜分校Chang-Beom Eom教授為論文通訊作者。
T. Nan, C. X. Quintela, J. Irwin, G. Gurung, D. F. Shao, J. Gibbons, N. Campbell, K. Song, S. -Y. Choi, L. Guo, R. D. Johnson, P. Manuel, R. V. Chopdekar, I. Hallsteinsen, T. Tybell, P. J. Ryan, J. -W. Kim, Y. Choi, P. G. Radaelli, D. C. Ralph, E. Y. Tsymbal, M. S. Rzchowski & C. B. Eom, Controlling spin current polarization through non-collinear antiferromagnetism. Nat Commun 11, 4671 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17999-4
招聘資訊：
清華大學微電子所南天翔課題組長期從事自旋電子材料和器件的研究，目前擬招聘一名博士後研究員從事相關方向的科研工作，有意應聘者請將詳細簡歷發至[email protected]
（詳見課題組網頁：nanlabthu.com）