加州大學洛杉磯分校王康隆/邰立軒AM：磁性拓撲材料自旋電子學！

一、?【導讀】 ?

自旋軌道轉矩?(SOT) 利用重元素中的相對論自旋軌道相互作用將電荷電流轉換為自旋電流并操縱磁化。作為磁阻式隨機存取存儲器?(MRAM) 的一種寫入方法，SOT 具有寫入電流小、可靠性高的巨大優勢，因此在高效非易失性存儲器中具有廣闊的應用前景。拓撲絕緣體 (TI) 和磁性拓撲絕緣體 (MTI) 可以施加高效的自旋軌道轉矩 (SOT)，并以超高效率利用其獨特的拓撲表面態 (TSS) 操縱磁化。

二、【成果掠影】

有鑒于此，近日，加州大學洛杉磯分校王康隆課題組的邰立軒等報道了展示了硬鐵磁拓撲絕緣體、V 摻雜 (Bi,Sb)₂Te₃?(VBST) 的電流驅動高效自旋軌道轉矩開關，發表在著名期刊Advanced Materials上。它具有較大的矯頑場，可以防止外部磁場的影響。在VBST中實現了 9.2 kΩ?的巨大反常霍爾電阻開關，是所有 SOT 系統中最大的，這使霍爾通道針對磁阻式隨機存取存儲器的應用具有良好的讀出能力，并且無需制造復雜的磁隧道結 (MTJ) 結構。SOT 開關電流密度可以降低至 2.8?×?10^5?A^?cm^?2，表明其效率很高。此外，隨著費米能級通過柵極和成分調整而遠離狄拉克點，VBST 表現出從邊緣態介導到表面態介導輸運的轉變，從而將 SOT 有效場增強到 (1.56?±?0.12)?×?10^?6?T^?A^?1?cm²，界面電荷自旋轉換效率增強到 3.9?±?0.3 nm^?1。這些發現使 VBST 成為節能磁存儲器件的絕佳候選材料。

?三、【核心創新點】

1.首次在硬鐵磁拓撲絕緣體中實現高效電流驅動自旋軌道轉矩開關。VBST具有較大的矯頑場，可以防止外部磁場（如雜散場）的影響。

2.實現了 9.2 kΩ的巨大反常霍爾電阻開關，是所有 SOT 系統中最大的，使霍爾通道針對磁阻式隨機存取存儲器的應用具有良好的讀出能力，并且無需制造復雜的磁隧道結 (MTJ) 結構。

3.首次深入研究了磁性拓撲絕緣體中 SOT效率隨著費米能級調節在從邊緣態主導到表面態主導的輸運模式轉變過程的變化，發現了表面態輸運可以有效增強SOT效率。以前對磁性拓撲絕緣體中 SOT 效率的柵極費米能級調控的工作僅探索了非量子化的表面態主導的傳輸模式。

?四、【數據概覽】

圖 1. 實驗裝置和 V 摻雜 (Bi,Sb)₂Te₃?(VBST) 薄膜的磁性能，表明其硬鐵磁拓撲絕緣體的性質。? 2024 Wiley Advanced Materials

圖 2. VBST 中電流驅動的磁化開關，實現了巨大反常霍爾電阻開關。? 2024 Wiley Advanced Materials

圖 3. 類阻尼 (DL) SOT 有效場的平面低場二次諧波測量。? 2024 Wiley Advanced Materials

圖4. VBST SOT的電場調控和費米能級依賴性，表現出從邊緣態介導到表面態介導輸運的轉變，從而增強 SOT 有效場以及效率。? 2024 Wiley Advanced Materials

五、【成果啟示】

這項研究探索了VBST 中硬鐵磁性、巨型霍爾開關和高效表面態介導 SOT，證實了VBST 作為節能磁存儲設備應用的理想候選材料的潛力，特別是用于量子計算的低溫外圍內存計算設備。

六、【作者簡介】

通信作者：王康隆院士，為現任美國加州大學洛杉磯分校電機工程學系雷神講座教授，是國際知名半導體學者。王院士自成功大學電機系畢業后，赴美取得麻省理工學院電子工程博士學位，自1979 年起于加州大學洛杉磯分校擔任電子工程學教授。王院士在自旋電子學領域、半導體電子學和納米技術有諸多貢獻，包括以創新技術解決許多在半導體電子元件上的問題和挑戰；首創把電子自旋元件概念帶入CMOS 工業，改變了電子學研究數十年的停滯，開啟電子自旋電子元件的新領域。 1989 年起，他在加州大學洛杉磯分校建立納米電子核心基礎研究中心，帶領全美國頂尖大學研究團隊投入納米科技相關的研究。

王院士致力于科學研究，至今發表過逾600 篇研究論文及出版物，擁有20 余項專利，自1989 年起連續十年獲美國半導體研究公司發明家年獎，為德國馬克斯普朗克研究院（Max Planck Institute, Germany）古根海姆院士（Guggenheim Fellow）、電機電子工程師學會會士（IEEE Fellow），亦是美國物理學會會士（APS Fellow）、材料研究學會會員與中央研究院院士，更于2017 年榮獲由IEEE 國際電子元件學會（EDS）頒贈元件最高榮譽JJ Ebers Award，2018 年榮獲由國際純物理和應用物理學會（IUPAP）所頒贈的磁力獎（Magnetism Award）和路易斯奈爾獎章（Neel Medal），這是物理學界最重要的獎項之一。

第一作者：邰立軒博士，博士/碩士畢業于美國加州大學洛杉磯分校，本科畢業于清華大學電子工程系，研究方向是新奇拓撲磁性材料的分子束外延(MBE)生長及自旋電子學應用。曾在Advanced Materials, Physical Review Letters, Nature?Communications,?ACS Nano和Nano Letters 等高影響力期刊和會議上發表了 20 多篇論文，并獲得三百多次引用，并曾擔任過Physical Review Letters, Science Advances 等高水平期刊的審稿人。曾在美國英特爾公司擔任實習研究員，目前在日本理化學研究所十倉好紀(Yoshinori Tokura)課題組擔任博士后特別研究員。

原文詳情：

Giant Hall Switching by Surface-State-Mediated Spin-Orbit Torque in a Hard Ferromagnetic Topological Insulator

（Adv. Mater., 2024, DOI:10.1002/adma.202406772）

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202406772?