近日，南京大学王学锋教授、张荣院士团队与多个课题组合作，在铁磁/非磁异质结的自旋流输运与转换方面取得系列进展。相关成果分别以“Large Anomalous Hall Effect in a Noncoplanar Magnetic Heterostructure”和“Gate-Tunable Spin-to-Charge Conversion in Topological Insulator-Magnetic Insulator Heterostructures at Room Temperature”为题，作为内封面（Inside Front Cover）和卷首插画（Frontispiece）亮点文章的形式发表于国际知名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

封面效果图，分别被遴选为内封面（Inside Front Cover）和卷首插画（Frontispiece）。

自旋电子学主要利用电子的自旋特性存储、传递和处理信息，具有低功耗、高速度和高效率等优势，推动了大数据、云计算、物联网和人工智能的快速发展。由自旋电子技术与集成电路技术相结合而成的自旋芯片技术大规模量产了高灵敏磁传感器和非易失磁性随机存储器等高端自旋芯片，被认为是有望解决后摩尔时代集成电路发展所面临的功耗瓶颈的关键技术之一。然而，如何实现自旋芯片中更高效率的自旋输运与检测以进一步降低功耗（至fJ甚至aJ级）是面临的关键科学问题。近年来，具有强自旋-轨道耦合属性的新型自旋电子材料发展迅猛，有望实现器件的更高效率和超低功耗的自旋输运与检测，这为基于自旋的集成电路和量子信息技术的发展提供了新的机遇。王学锋教授课题组长期聚焦自旋芯片中“自旋流高效产生”和“自旋流向电荷流的高效转换”这两个对器件性能起决定性作用的物理过程开展系统性研究，2024年在《Nature Materials》和《Nature Communications》连续报道了在拓扑表面态和关联氧化物界面二维电子气中实现巨大非互易自旋输运的观察和通过对称性工程调控超快自旋光电流与太赫兹波高效发射的三个代表性创新成果（Nat. Mater. 23, 1208 (2024); Nat. Commun. 15, 2992 (2024); Nat. Commun. 15, 2605 (2024); Light Sci. Appl. 13, 181 (2024)）。然而，如何构筑大面积高质量的铁磁/非磁异质结以实现自旋流的高效产生和转换仍是尚未解决的关键问题。

1. 非共面磁性异质结构中的巨大反常霍尔效应

反常霍尔效应（AHE）是广泛研究的自旋输运现象，在信息存储和传感器件中具有重要应用。自斯格明子（skyrmions）发现以来，拓扑自旋织构（topological spin textures）一直是自旋电子学研究的热点。这类涡旋状准粒子可以携带拓扑电荷，在数据存储和神经形态计算中显示出应用潜力，但在异质界面处的拓扑自旋织构如何对AHE产生影响却鲜有报道。

针对这一问题，王学锋教授课题组利用脉冲激光沉积技术，在蓝宝石衬底表面原位构筑了高质量Cr5Te6/Pt异质结构，选择10 nm厚的Cr5Te6薄膜作为磁性绝缘层，将不同Pt厚度的异质结构制备成霍尔器件，输运结果表明器件中的自旋输运仅发生在Pt层，表现出明显的AHE（图1）。此外观察到随Pt厚度变化产生的信号反转，这是由于厚度变化带来的电子空穴互扩散导致费米能级附近贝里曲率的重建。其中，在3 nm Pt厚度的器件中反常霍尔电阻率达到最大114 nΩ·cm@5 K，该数值在所见报道的磁性绝缘体/重金属异质结构中最大。结合第一性原理计算，进一步确证了贝里曲率诱导巨大AHE的内禀机制。

图1. Cr5Te6/Pt异质结构的磁输运性能测试。

为观察异质界面处的拓扑自旋织构，利用低温（10 K）、强磁场（9 T）磁力显微镜对其进行实空间观测（图2），发现在0.6-0.65 T范围内，斯格明子的密度达到峰值，这与拓扑霍尔效应在约 0.6 T 处出现峰值的现象完美吻合。结合磁性测试结果分析，随着Cr5Te6薄膜厚度的减小，其面内各向异性逐步退化，有利于异质界面处形成拓扑自旋织构，并与原子级模拟的结果相一致。通过对异质结构中AHE的数值模拟，成功建立了实空间中的拓扑自旋织构与动量空间中的贝里曲率之间的内在联系，揭示了拓扑自旋织构对AHE的作用机制（图2j,k）。

图2. Cr5Te6/Pt异质结中斯格明子的磁力显微镜观察及其原子级模拟。

该工作在非共面磁性异质结构Cr₅Te₆/Pt中实现了巨大的反常霍尔电阻率（114 nΩ·cm），是目前磁性绝缘体/重金属异质结构中文献公开报道的最大值。第一性原理计算表明温度变化和电子-空穴相互扩散都导致了贝里曲率的重建。通过实空间的磁力显微镜技术直观观察到界面处存在的拓扑自旋织构，并通过原子级模拟进一步证实拓扑自旋织构诱导AHE产生的关键作用。该工作为探索异质结构中的显著的AHE开辟了新的思路，增强了人们对拓扑自旋织构与AHE关联的理解，也为研制新型低功耗拓扑自旋电子器件提供了理论基础。

南京大学王学锋教授、北京航空航天大学张悦教授和南京理工大学翟学超教授为该论文的共同通讯作者。南京大学博士生宋安柯、陈业全（现为南邮讲师）、北京航空航天大学张金娥副教授和张志仲副教授为共同第一作者。张荣院士对该工作给予了重要指导，徐永兵教授、宋凤麒教授和赵巍胜教授对该工作提供了重要帮助。南京大学为论文第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

2. 拓扑绝缘体异质结构中栅压可调的自旋-电荷高效转换

自旋轨道力矩（SOT）是一种通过强自旋轨道耦合材料中的自旋积累施加在相邻铁磁层磁矩上的力矩，能够有效操控铁磁层的磁化方向，是开发新型信息存储和逻辑器件的重要机制。高效的自旋-电荷转换（通常用自旋霍尔角θSH表征）对SOT器件的实际应用至关重要。近年来，拓扑绝缘体由于其拓扑表面态的自旋-动量锁定特征而备受关注。然而，室温下拓扑绝缘体的体态由于缺陷存在而变得相当导电，从而使得整体的θSH较低。因此，如何实现拓扑绝缘体电场可调的θSH仍是一大挑战。

针对这一问题，王学锋教授课题组致力于利用脉冲激光沉积方法探索大面积拓扑绝缘体(Bi0.1Sb0.9)2Te3（BST）薄膜的快速制备，在磁性绝缘体YIG表面成功制备了高质量的BST薄膜。随后，进行自旋泵浦-铁磁共振测量以探究BST/YIG异质结在室温下的自旋流到电荷流的转换（图3）。在共振条件下，自旋流在YIG中生成并注入至BST层。BST的强自旋轨道耦合随后将自旋流转换为电荷流，从而产生显著的自旋泵浦电压信号。经过分析共振场、共振频率、半波宽等关键参数，以及自旋泵浦信号对BST薄膜厚度的依赖关系，计算得到的θSH为~0.76，对应的自旋扩散长度λSD为6.25 nm。

图3. BST/YIG异质结中自旋泵浦-铁磁共振的测量结果。

为了调控体态和表面态以实现更高的θSH，课题组利用原子层沉积技术在BST/YIG异质结构上进一步生长了15 nm厚的Al2O3作为栅介质层进行电场调控（图4）。在-2到3 V的栅压范围内，磁场依赖的电压信号随栅压显著改变。这充分表明栅压实现了室温下对拓扑绝缘体中自旋流到电荷流转换效率的有效调控。为了揭示电场调控BST/YIG异质结构中自旋流到电荷流转换效率的机制，计算了BST薄膜中栅电压依赖的载流子浓度以及θSH，发现当施加正栅压时，费米能级上移使载流子浓度降低，在1 V时进入带隙，此时表面态中的逆Edelstein效应占主导，对应的θSH达到最大值~0.9，这是文献公开报道最大，凸显了拓扑表面态的关键作用。

图4. BST/YIG异质结中栅压可调的自旋泵浦信号。

该工作在BST/YIG异质结中实现了室温下电场可调、文献公开报道最大的θSH，归因于BST薄膜中的逆自旋霍尔效应以及表面态的逆Edelstein效应。通过电场调控，BST的费米能级被调至带隙中，表面态的逆Edelstein效应增强并主导了自旋流到电荷流的转换，θSH相应地从~0.76提升至~0.9。该工作为探索电场调控拓扑绝缘体中的自旋-电荷转换开辟了新的思路，增强了人们对拓扑表面态提升自旋流转换效率的理解，也促进了拓扑绝缘体在低功耗自旋电子器件中的潜在应用。

南京大学王学锋教授和中科院微电子所邢国忠研究员为该论文的共同通讯作者。南京大学博士生孙文轩为第一作者。张荣院士对该工作给予了重要指导。南京大学徐永兵教授、宾夕法尼亚州立大学常翠祖教授对该工作提供了重要帮助。南京大学为论文第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。