北理工团队提出突破性全电控自旋新机制

近日，北京理工大学物理学院姚裕贵教授、余智明教授团队提出了一种颠覆性的新效应:自旋-层耦合(SLC)，以实现自旋(而非自旋流)的栅极电场控制。该工作以“Predictable Gate-Field Control of Spin in Altermagnets with Spin-Layer Coupling”为题发表于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。

自巨磁阻效应发现以来，自旋电子学领域迅猛发展，对自旋的调控成为该领域重要研究方向。这其中最好的方法是通过栅极电场调控自旋。尽管众多方案竞相涌现，以期实现电场调控自旋的最终目标，但普遍存在两大棘手难题：(一) 高度依赖强自旋轨道耦合(SOC)作为先决条件，限制了材料选择的广泛性；(二) 诱导产生的自旋劈裂现象难以精准预测与控制，给实际应用带来不确定性的挑战。这些不足之处严重阻碍了全电控自旋技术向更深层次发展的步伐。

在本研究工作中，团队提出了一种颠覆性的效应，通过电学手段实现自旋极化的可预测控制，从而解决这一挑战性任务。他们的想法基于一种新颖的物理机制——以谷为媒介的自旋-层耦合 (SLC)——这一机制存在于一种新发现的磁性材料，即交错磁体 (altermagnets)（图1）。SLC指的是自旋与层自由度之间的耦合，通过它可使电场能够像磁场一样精准可控的操控自旋。值得注意的是，SLC在有无SOC的情况下都能有效运行，从而一举克服上述两大缺陷。

团队还通过系统性的对称性分析，提出了实现谷媒介SLC的对称性条件，并列出了所有具有谷媒介SLC的23个磁层群。此外团队还确定了9种高质量的材料候选者：单层Ca(CoN)2家族（图2）。基于这些具体材料，该工作展示了通过施加栅极场可以实现（近乎）均匀、连续和可切换的自旋极化控制。特别是，施加0.2 eV/Å的栅极场可以产生约100 meV的自旋劈裂，相当于一个高达1000 T的有效静态磁场（图3）。

此外，团队提出的谷媒介SLC方案还可以彻底改变类隧道磁阻 (TMR) 器件的设计方式。所提出的类TMR器件不仅表现出显著增强的TMR效应，而且由单一材料构成—TMR器件中的平行和反平行配置可以通过对材料不同区域施加平行和反平行的栅极电场来实现（图4）。

探索全电控自旋新机制是凝聚态和材料物理领域重要的研究课题，具有重要的科学意义和应用价值。该研究为通过纯电手段的可预测的自旋调控提供了崭新机遇，并为设计可以全电控制的自旋电子器件开辟了全新的方向，将成为自旋电子学和能谷电子学领域的里程碑式进展。