加州大学洛杉矶分校王康隆/邰立轩AM：磁性拓扑材料自旋电子学！
一、 【导读】
自旋轨道转矩 (SOT) 利用重元素中的相对论自旋轨道相互作用将电荷电流转换为自旋电流并操纵磁化。作为磁阻式随机存取存储器 (MRAM) 的一种写入方法，SOT 具有写入电流小、可靠性高的巨大优势，因此在高效非易失性存储器中具有广阔的应用前景。拓扑绝缘体 (TI) 和磁性拓扑绝缘体 (MTI) 可以施加高效的自旋轨道转矩 (SOT)，并以超高效率利用其独特的拓扑表面态 (TSS) 操纵磁化。
二、【成果掠影】
有鉴于此，近日，加州大学洛杉矶分校王康隆课题组的邰立轩等报道了展示了硬铁磁拓扑绝缘体、V 掺杂 (Bi,Sb)2Te3 (VBST) 的电流驱动高效自旋轨道转矩开关，发表在著名期刊Advanced Materials上。它具有较大的矫顽场，可以防止外部磁场的影响。在VBST中实现了 9.2 kΩ 的巨大反常霍尔电阻开关，是所有 SOT 系统中最大的，这使霍尔通道针对磁阻式随机存取存储器的应用具有良好的读出能力，并且无需制造复杂的磁隧道结 (MTJ) 结构。SOT 开关电流密度可以降低至 2.8 × 105 A cm−2，表明其效率很高。此外，随着费米能级通过栅极和成分调整而远离狄拉克点，VBST 表现出从边缘态介导到表面态介导输运的转变，从而将 SOT 有效场增强到 (1.56 ± 0.12) × 10−6 T A−1 cm2，界面电荷自旋转换效率增强到 3.9 ± 0.3 nm−1。这些发现使 VBST 成为节能磁存储器件的绝佳候选材料。
三、【核心创新点】
1.首次在硬铁磁拓扑绝缘体中实现高效电流驱动自旋轨道转矩开关。VBST具有较大的矫顽场，可以防止外部磁场（如杂散场）的影响。
2.实现了 9.2 kΩ的巨大反常霍尔电阻开关，是所有 SOT 系统中最大的，使霍尔通道针对磁阻式随机存取存储器的应用具有良好的读出能力，并且无需制造复杂的磁隧道结 (MTJ) 结构。
3.首次深入研究了磁性拓扑绝缘体中 SOT效率随着费米能级调节在从边缘态主导到表面态主导的输运模式转变过程的变化，发现了表面态输运可以有效增强SOT效率。以前对磁性拓扑绝缘体中 SOT 效率的栅极费米能级调控的工作仅探索了非量子化的表面态主导的传输模式。
四、【数据概览】
图 1. 实验装置和 V 掺杂 (Bi,Sb)2Te3 (VBST) 薄膜的磁性能，表明其硬铁磁拓扑绝缘体的性质。© 2024 Wiley Advanced Materials
图 2. VBST 中电流驱动的磁化开关，实现了巨大反常霍尔电阻开关。© 2024 Wiley Advanced Materials
图 3. 类阻尼 (DL) SOT 有效场的平面低场二次谐波测量。© 2024 Wiley Advanced Materials
图4. VBST SOT的电场调控和费米能级依赖性，表现出从边缘态介导到表面态介导输运的转变，从而增强 SOT 有效场以及效率。© 2024 Wiley Advanced Materials
五、【成果启示】
这项研究探索了VBST 中硬铁磁性、巨型霍尔开关和高效表面态介导 SOT，证实了VBST 作为节能磁存储设备应用的理想候选材料的潜力，特别是用于量子计算的低温外围内存计算设备。
六、【作者简介】
通信作者：王康隆院士，为现任美国加州大学洛杉矶分校电机工程学系雷神讲座教授，是国际知名半导体学者。王院士自成功大学电机系毕业后，赴美取得麻省理工学院电子工程博士学位，自1979 年起于加州大学洛杉矶分校担任电子工程学教授。王院士在自旋电子学领域、半导体电子学和纳米技术有诸多贡献，包括以创新技术解决许多在半导体电子元件上的问题和挑战；首创把电子自旋元件概念带入CMOS 工业，改变了电子学研究数十年的停滞，开启电子自旋电子元件的新领域。 1989 年起，他在加州大学洛杉矶分校建立纳米电子核心基础研究中心，带领全美国顶尖大学研究团队投入纳米科技相关的研究。
王院士致力于科学研究，至今发表过逾600 篇研究论文及出版物，拥有20 余项专利，自1989 年起连续十年获美国半导体研究公司发明家年奖，为德国马克斯普朗克研究院（Max Planck Institute, Germany）古根海姆院士（Guggenheim Fellow）、电机电子工程师学会会士（IEEE Fellow），亦是美国物理学会会士（APS Fellow）、材料研究学会会员与中央研究院院士，更于2017 年荣获由IEEE 国际电子元件学会（EDS）颁赠元件最高荣誉JJ Ebers Award，2018 年荣获由国际纯物理和应用物理学会（IUPAP）所颁赠的磁力奖（Magnetism Award）和路易斯奈尔奖章（Neel Medal），这是物理学界最重要的奖项之一。
第一作者：邰立轩博士，博士/硕士毕业于美国加州大学洛杉矶分校，本科毕业于清华大学电子工程系，研究方向是新奇拓扑磁性材料的分子束外延(MBE)生长及自旋电子学应用。曾在Advanced Materials, Physical Review Letters, Nature Communications, ACS Nano和Nano Letters 等高影响力期刊和会议上发表了 20 多篇论文，并获得三百多次引用，并曾担任过Physical Review Letters, Science Advances 等高水平期刊的审稿人。曾在美国英特尔公司担任实习研究员，目前在日本理化学研究所十仓好纪(Yoshinori Tokura)课题组担任博士后特别研究员。
原文详情：
Giant Hall Switching by Surface-State-Mediated Spin-Orbit Torque in a Hard Ferromagnetic Topological Insulator
（Adv. Mater., 2024, DOI:10.1002/adma.202406772）
文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202406772
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