我校量子材料与器件研究院姜勇教授团队在新型自旋电子材料与器件研究方面取得系列重要进展

近期，我校量子材料与器件研究院姜勇教授团队在国际知名期刊《Advanced Science》上连续发表了3篇研究论文，集中探讨了铁磁绝缘体中的手性磁结构、二维磁性材料的控制合成及自旋特性和相变驱动二维磁性异质结自旋输运性质突变，为该领域的研究带来了全新的认知视角与创新思路，迅速吸引了学界广泛关注。

该团队在解决中心对称铁磁绝缘体中手性磁结构起源这一难题上取得了突破性进展。以往研究在超薄外延中心对称铁磁绝缘体中观测到手性磁结构，如手性磁畴壁、斯格明子等，但其形成机制——界面DMI相互作用的来源，始终众说纷纭，存在显著争议。面对这一挑战，姜勇教授团队的徐泽东副教授等人创新性地提出了不对称界面设计方案，不仅精准揭示了界面DMI的真实来源及其背后的物理机制，还展示了通过界面工程技术实现对手性磁结构有效调控的可行性。这一研究成果以“Tailoring Dzyaloshinskii–Moriya Interaction and Spin-Hall Topological Hall Effect in Insulating Magnetic Oxides by Interface Engineering”为题，发表于《Advanced Science》上。 

图1. 器件的结构示意图，STEM结构图，拓扑霍尔效应，以及对应的界面DMI物理机制示意图。

自旋电子学器件中的多级磁化翻转通常可以促进器件中实现极高的存储密度、低功耗和多功能性等优点，但现有磁性材料的磁化翻转大多表现单一模式，亟需进行结构设计和新型磁性材料的开发。二维（2D）磁性材料通常具有原子级厚度、强各向异性、易于堆叠和高自旋极化等优点，使其成为自旋电子学器件的优选材料。姜勇教授团队的柳丽轩副教授和贾志研副教授等制备的2D磁铁矿（Fe₃O₄）纳米片具有高居里温度（T_C）、超强环境稳定性和多级的磁性状态等特征，并在结构、磁学和电学方面展现系列新奇物性（图2）。基于2D Fe₃O₄纳米片（厚度范围3-45 nm）的自旋力矩铁磁共振（ST-FMR）器件测试中发现存在V_mix的磁滞回线，表明2D Fe₃O₄纳米片中存在多畴反转过程和不均匀的内部场分布。与超薄纳米片器件不同，在10 nm的ST-FMR器件中发现了至少三种色散关系，表明存在多个非均匀进动模式或自旋波模式。在微波场下，58 nm器件表现出多级电阻翻转，这主要是由多级磁化翻转引起的，并通过微磁模拟进一步证实了这一点。这一研究成果以“Multi-Level Switching of Spin-Torque Ferromagnetic Resonance in 2D Magnetite”为题，发表于《Advanced Science》上。

图2. 通过CVD方法合成的具有室温磁性的Fe₃O₄纳米片，结构上存在反相边界特征，以及微波场辅助下的电阻多级翻转状态。

姜勇教授团队的贾志研副教授等通过对不同厚度的Fe₃O₄纳米片的拉曼表征，确定了厚度依赖的Verwey相变温度(T_V)。对Pt/Fe₃O₄自旋霍尔器件的测量发现，随着温度接近T_V，各向异性磁阻(AMR)比率减小，而自旋霍尔磁阻(SMR)比率和自旋混合电导(G_r)增加（见图3）。在接近112 K时，反常霍尔效应(AHE)比率趋于零。由于Pt和2D纳米片之间的干净、平坦界面，G_r的最大值达到约5×10¹⁵ Ω^-1m^-2，证明该自旋电子学器件的界面质量较高。这些发现表明2D Fe₃O₄纳米片在自旋电子存储器件应用中具有很大的潜力。相应研究成果以“Spin Transport Modulation of 2D Fe₃O₄ Nanosheets Driven by Verwey Phase Transition”为题，发表于《Advanced Science》上。

图3. 温度依赖的电输运特性在Pt/Fe₃O₄霍尔器件。a) Pt/Fe₃O₄霍尔条形器件的示意图。b) 在不同温度下，AMR与xy平面角度α的关系。c) SMR与d) AHE作为磁场与z方向之间角度β的函数，在不同温度下的表现。AMR、SMR和AHE分别通过以下公式提取：[R_xx − R_xx(α= 90°)]/R_xx(α = 90°)、[R_xx − R_xx(β= 90°)]/R_xx(β = 90°)和[R_xy − R_xy(β = 90°)]/R_xy(β= 90°)。e) AMR、f) SMR和G_r、以及g) AHE与温度的依赖关系，其中α或β为零。

以上研究成果由天津工业大学分别联合南方科技大学、北京航空航天大学和东南大学等单位共同完成。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。姜勇教授团队长期从事自旋电子学材料与器件、磁电信号检测及应用等前沿领域研究，成功获得了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金和天津市“一带一路”中外联合研究中心等多项重要资助，提升了我校在该领域的知名度。

（审稿：电子与信息工程学院 牛萍娟 编辑：党委宣传部 胡敏）

图片来源：电子与信息工程学院