自旋電子學(xué)研究如何利用電子自旋進(jìn)行信息存儲(chǔ)、傳輸和處理，其核心研究?jī)?nèi)容之一就是探索和調(diào)控新型的電荷-自旋轉(zhuǎn)換機(jī)制。對(duì)該轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究不但有助于揭示電子自旋在材料中的行為，解開(kāi)自旋與電荷之間相互作用的奧秘，也是利用自旋自由度實(shí)現(xiàn)新原理信息處理器件，特別是新型計(jì)算器件的物理基礎(chǔ)。同時(shí)，由于其可擴(kuò)展性和與CMOS技術(shù)的兼容性，具有垂直磁各向異性（PMA）的鐵磁材料是實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)和存算一體自旋器件的理想材料體系。因此，將電荷-自旋轉(zhuǎn)換過(guò)程與PMA鐵磁體系的磁化狀態(tài)耦合，實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演奇的電荷-自旋轉(zhuǎn)換效應(yīng)，將為自旋-電荷轉(zhuǎn)化機(jī)制的調(diào)控研究引入新的思路，有望為開(kāi)發(fā)下一代自旋電子學(xué)器件提供新的技術(shù)途徑。然而，受限于傳統(tǒng)鐵磁材料的高晶格對(duì)稱性，鐵磁自旋霍爾效應(yīng)等時(shí)間反演奇的電荷-自旋轉(zhuǎn)換機(jī)制仍未被發(fā)現(xiàn)，限制了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。探索新型的低維鐵磁量子材料體系，實(shí)現(xiàn)高效且可調(diào)控的自旋-電荷轉(zhuǎn)換機(jī)制，是自旋電子學(xué)領(lǐng)域亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
面對(duì)上述機(jī)遇與挑戰(zhàn)，近日，南京大學(xué)物理學(xué)院梁世軍副教授和繆峰教授團(tuán)隊(duì)、聯(lián)合南京理工大學(xué)理學(xué)院程斌教授、澳門大學(xué)肖聰助理教授與楊聲遠(yuǎn)教授等團(tuán)隊(duì)在理論上提出在磁性-拓?fù)洚愘|(zhì)結(jié)體系界面處衍生出的自旋流偶極矩可以產(chǎn)生時(shí)間反演奇的磁自旋霍爾效應(yīng)，并在實(shí)驗(yàn)上利用“原子樂(lè)高”方法構(gòu)筑Fe3GeTe2/MoTe2范德華異質(zhì)結(jié)，觀測(cè)到依賴于磁矩方向的電荷-自旋轉(zhuǎn)換效應(yīng)，證實(shí)了自旋反演奇的界面電荷-自旋轉(zhuǎn)換效應(yīng)。合作團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用該磁自旋霍爾效應(yīng)的可調(diào)性和高度線性特征，提出了新型存內(nèi)計(jì)算概念器件和以此為基本單元的二值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為基于自旋電子學(xué)的低功耗存內(nèi)計(jì)算器件開(kāi)發(fā)提供了全新的思路。
在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用垂直磁各向異性鐵磁金屬Fe3GeTe2（簡(jiǎn)稱為FGT）和拓?fù)浒虢饘費(fèi)oTe2構(gòu)建了多端異質(zhì)結(jié)器件（圖1a），通過(guò)選用不同測(cè)試構(gòu)型實(shí)現(xiàn)非局域的自旋電荷轉(zhuǎn)化機(jī)制的電學(xué)表征。其中，MoTe2同時(shí)具備高自旋-電荷轉(zhuǎn)化效率以及長(zhǎng)自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，因此可借助其逆自旋霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非局域自旋的探測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)首先將FGT作為磁性電極，對(duì)MoTe2自旋輸運(yùn)特性進(jìn)行表征，測(cè)得顯著的逆自旋霍爾信號(hào)（圖1b）與自旋霍爾信號(hào)（圖1c），展示了MoTe2非局域自旋探測(cè)器的高效性。借助該自旋探測(cè)器，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)了異質(zhì)結(jié)界面處的磁自旋霍爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)上在FGT中施加電流，同時(shí)通過(guò)垂直外磁場(chǎng)調(diào)控FGT磁矩方向，可在MoTe2自旋探測(cè)器處測(cè)得與FGT磁翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的跳變信號(hào)（圖2a, 2b）。這表明FGT/MoTe2界面處電荷-自旋轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的自旋流受FGT磁矩方向調(diào)控，即時(shí)間反演奇的磁自旋霍爾效應(yīng)。值得注意的是，相同測(cè)量結(jié)構(gòu)下的FGT/石墨多端器件無(wú)磁場(chǎng)依賴的回滯信號(hào)，這排除了反常霍爾效應(yīng)的影響。同時(shí)，測(cè)到的逆磁自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果（圖2c）與磁自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果（圖2a）符合昂薩格倒易關(guān)系，證明該效應(yīng)為線性效應(yīng)。這與所測(cè)信號(hào)大小隨注入FGT電流大小呈線性變化（圖2d）的結(jié)果相印證，排除了熱效應(yīng)在測(cè)量結(jié)果中的貢獻(xiàn)。
圖1：非局域輸運(yùn)測(cè)量構(gòu)型與自旋霍爾效應(yīng)表征。a.FGT/MoTe2器件構(gòu)型示意圖。磁場(chǎng)方向沿z方向，各電極用數(shù)字標(biāo)識(shí)。b.逆自旋霍爾信號(hào)隨磁場(chǎng)的變化。c.自旋霍爾信號(hào)隨磁場(chǎng)的變化。
圖2：磁自旋霍爾效應(yīng)非局域測(cè)量表征。a.磁自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量構(gòu)型與測(cè)量結(jié)果。b.改變注入電流方向測(cè)磁自旋霍爾效應(yīng)所得結(jié)果。c.逆磁自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量構(gòu)型與測(cè)量結(jié)果。d.磁自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量信號(hào)大小隨注入電流線性變化。
理論計(jì)算揭示，觀測(cè)到的磁自旋霍爾效應(yīng)來(lái)源于FGT/MoTe2異質(zhì)結(jié)界面誘導(dǎo)的對(duì)稱性破缺對(duì)磁性與拓?fù)漶詈系哪軒У恼{(diào)制作用。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)稱性分析發(fā)現(xiàn)，單一FGT材料的高對(duì)稱性使磁自旋霍爾電導(dǎo)分量為零（圖3a）。而通過(guò)“原子樂(lè)高”界面工程可以打破對(duì)稱性的限制（圖3b），在FGT/MoTe2異質(zhì)結(jié)體系中實(shí)現(xiàn)界面磁自旋霍爾效應(yīng)。為進(jìn)一步揭示界面磁自旋霍爾效應(yīng)的微觀機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)引入了可直接刻畫該效應(yīng)的物理量，即自旋流偶極矩，其動(dòng)量空間積分即為體系的磁自旋霍爾電導(dǎo)。第一性原理計(jì)算表明自旋流偶極矩動(dòng)量空間分布不具有空間反演對(duì)稱性（圖3c），表明異質(zhì)結(jié)體系的磁自旋霍爾電導(dǎo)分量
不為零。此外，合作團(tuán)隊(duì)基于第一性原理計(jì)算得到的
與溫度的依賴關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符（圖3d）。當(dāng)鐵磁層磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)，自旋流偶極矩動(dòng)量空間分布發(fā)生調(diào)制，這使得界面處的縱向電流可以誘導(dǎo)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的受磁矩調(diào)控的橫向自旋流（圖3e和f）。
圖3：界面磁自旋霍爾效應(yīng)物理機(jī)制。a.FGT晶格結(jié)構(gòu)示意圖，F(xiàn)GT晶格對(duì)稱性使
受限為零。b.FGT/MoTe2異質(zhì)界面晶格結(jié)構(gòu)示意圖，對(duì)稱性破缺允許
非零。c.動(dòng)量空間自旋流偶極矩
分布。d.磁自旋霍爾電導(dǎo)隨溫度變化的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。e，f.拓?fù)?鐵磁異質(zhì)結(jié)中界面磁自旋霍爾效應(yīng)物理圖示。界面縱向電流誘導(dǎo)產(chǎn)生可被鐵磁層磁矩調(diào)控的自旋流。
最后，研究團(tuán)隊(duì)利用界面磁自旋霍爾信號(hào)受磁矩調(diào)控且高度線性的特性，結(jié)合高效非局域自旋探測(cè)方案，提出了新型存內(nèi)計(jì)算器件memtransformer。該器件具有非易失性，輸入的電壓信號(hào)經(jīng)電荷-自旋-電荷轉(zhuǎn)化過(guò)程最終以電壓信號(hào)輸出（圖4a），且輸入輸出信號(hào)存在受磁矩調(diào)控的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖4b）。基于上述特性，memtransformer器件陣列可用作存內(nèi)計(jì)算并且具有可級(jí)聯(lián)性，有望解決電流-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化中的功耗問(wèn)題。作為概念驗(yàn)證演示，研究團(tuán)隊(duì)基于兩個(gè)互聯(lián)的memtransformer器件，展示了向量相乘運(yùn)算（圖4c）。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于memtransformer器件陣列的雙值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（圖4d-e）。該網(wǎng)絡(luò)卷積層間連接無(wú)需激活函數(shù)，其對(duì)MNIST手寫數(shù)字識(shí)別的準(zhǔn)確率與基于阻變器件網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別準(zhǔn)確率相當(dāng)（圖4f）。該工作為探索實(shí)現(xiàn)新的自旋-電荷轉(zhuǎn)化機(jī)制以及擴(kuò)展相應(yīng)材料平臺(tái)提供了范例，同時(shí)也為低功耗自旋存內(nèi)計(jì)算提供了新的思路。
圖4：memtransformer器件概念及應(yīng)用展示。 a. memtransformer器件概念展示。b. memtransformer器件輸入輸出關(guān)系。c.兩個(gè)memtransformer器件級(jí)聯(lián)構(gòu)成的陣列實(shí)現(xiàn)向量相乘功能。d.基于memtransformer陣列構(gòu)建的雙值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。e.卷積核陣列架構(gòu)。f.基于memtransformer構(gòu)建的雙值卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)字識(shí)別的準(zhǔn)確率與基于阻變器件網(wǎng)絡(luò)的性能相當(dāng)。
相關(guān)研究成果以“Interfacial magnetic spin Hall effect in van der Waals Fe3GeTe2/MoTe2 heterostructure”（范德華異質(zhì)結(jié)Fe3GeTe2/MoTe2中的界面磁自旋霍爾效應(yīng)）為題于2024年2月7日發(fā)表在Nature Communications《自然·通訊》上（https://www.nature.com/articles/s41467-024-45318-8）。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生戴玉頔、熊俊林與新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)蓋彥峰博士為該工作的共同第一作者，南京大學(xué)梁世軍副教授、繆峰教授、南京理工大學(xué)程斌教授、澳門大學(xué)肖聰助理教授為該工作的共同通訊作者。澳門大學(xué)楊聲遠(yuǎn)教授提供了重要的理論支持，中科院物理所石友國(guó)課題組和美國(guó)Rutgers大學(xué)的Sang-Wook Cheong課題組提供了實(shí)驗(yàn)所需樣品。該工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)/面上/青年項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)B項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、以及固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45318-8
本文鏈接：南大首次在“原子樂(lè)高”中實(shí)現(xiàn)界面磁自旋霍爾效應(yīng)http://m.sq15.cn/show-11-2966-0.html
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