北航集成电路学院在《Nature Communications》期刊发表研究成果：操控晶体对称性实现高效垂直磁矩无场翻转

近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、张悦教授团队、中国科学院物理研究所孙继荣研究员团队与北京航空航天大学物理学院胜献雷教授团队合作，在氧化物自旋电子学领域取得重要进展。团队基于强自旋-轨道耦合的钙钛矿氧化物CaRuO3，利用对称性失配与界面耦合作用打破了CaRuO3的晶体对称性，获得了面外极化的自旋流，并且实现了无外磁场下高效驱动垂直磁矩翻转。本工作首次提供了一种基于晶体对称性设计获得面外极化自旋流的方法。2024年8月25日，相关研究成果以“Generation of out-of-plane polarized spin current by non-uniform oxygen octahedral tilt/rotation”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊。

北航集成电路科学与工程学院韩福荣博士后、广东松山湖材料实验室张静副研究员、北航物理学院杨帆博士为本论文共同第一作者，北航集成电路科学与工程学院张悦教授、中科院物理研究所孙继荣研究员、北航物理学院胜献雷教授为本论文通讯作者，北京航空航天大学为第一单位。其他合作者包括北航集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、新加坡国立大学Jingsheng Chen教授等。该工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及北航理工交叉融合十大科学问题“后摩尔时代集成电路的调控机制”等项目的支持。

源于自旋霍尔效应（spin Hall effect）或Rashba-Edelstein效应的自旋流使人们能够通过自旋-轨道力矩（Spin-Orbit Torque，SOT）有效地操控铁磁体中的磁矩，是构建高性能磁存储器件和自旋逻辑器件的基础。在对称性的约束下，自旋流的极化方向限制在面内，在驱动垂直磁矩翻转时需要外磁场的辅助。而面外极化的自旋流能够直接驱动垂直磁矩的翻转不需要外磁场的辅助，也避免了复杂的器件结构设计，在提高存储密度方面具有优势。然而，具有高效自旋-电荷转化效率的材料通常受到对称性的约束，打破晶体对称性获得面外极化自旋流难以实现。

为了解决这一难题，研究团队构建了对称失配的CaRuO3/LaAlO3异质结，由于界面耦合作用，RuO6八面体倾转表现出非一致性，成功打破了螺旋轴和滑移面对称性，降低了CaRuO3的晶体对称性。密度泛函理论计算结果表明，当CaRuO3晶体对称性被破坏时，可以有效地产生面外极化的自旋流。研究团队利用自旋力矩-铁磁共振（ST-FMR）技术探测到了由自旋流诱导的面外SOT，实验结果进一步表明，CaRuO3中的面外极化自旋流在无外磁场下能够高效驱动垂直磁矩翻转。

图1. CaRuO3/LaAlO3异质结的扫描透射电子显微镜图像及八面体倾转分析

图2. 晶体对称性分析及密度泛函理论计算结果

图3. CaRuO3中的自旋流在无外磁场下驱动垂直磁矩翻转

这一成果展示了4d过渡金属氧化物高效的自旋-电荷转化以及晶体结构易于调控的特性。此项研究开发了通过晶体对称性工程来操控自旋流的新途径，为开发高密度、低能耗自旋电子器件提供了重要的理论基础和实验依据。

北航集成电路科学与工程学院张悦教授团队依托“自旋芯片与技术”全国重点实验室、“数字感知芯片技术”全国重点实验室等国家级实验室， 瞄准科研前沿，长期致力于自旋电子学、自旋存算一体器件、超低功耗集成电路设计等研究方向，并取得一系列进展。相关成果发表于Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、Applied Physics Reviews、Advanced Functional Materials、Nano Letters等国际知名期刊。