基于非对称拓扑表面态的磁矩翻转 | NSR

近日，一项关于磁性拓扑材料MnSb2Te4中自旋轨道矩翻转的重要研究成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）2025年第7期。该研究由多个科研团队合作完成，为本征磁性拓扑材料在自旋电子学器件的应用开辟了新的路径。复旦大学物理学系博士李子晗为论文第一作者，苏州大学物理科学与技术学院博士生潘晟为共同一作，复旦大学物理学系修发贤教授和苏州大学物理科学与技术学院俞颉翔教授为共同通讯作者。

随着存储技术的不断发展，人们对于存储容量和读写速度的需求进一步提高。在磁存储方面，自旋轨道力矩（Spin Orbit Torque，SOT）作为一种电流诱导的磁矩翻转效应，在自旋电子学理论突破和器件设计优化方面都有巨大的开发潜力。常见的SOT体系需要具有较大的自旋轨道耦合，像铁磁/重金属、反演对称性破缺的材料界面等等。但是经典的体系很难在简化设计结构的同时实现高自旋-电荷转化效率，寻找兼具自旋流产生能力和内禀可调磁性的新型材料也成为研究的一大热门。

本征磁性拓扑绝缘体MnSb2Te4作为一种拥有特殊能带结构的体系，在具有磁性的同时，其拓扑表面态独特的自旋动量锁定可以提供极高的自旋-电荷转化效率。研究团队对该材料能带结构进行了第一性原理计算，通过对电导的计算分析可以得知，其自旋霍尔电导不受Mn磁矩方向的影响，并且在带隙内为一个恒定的值，与之相反的是反常霍尔电导在带隙内一直为0。这来自于其非对称的拓扑表面态，并且能获得极高的自旋-电荷转化效率。恒定的自旋电导率意味着自旋流可以稳定产生，且能进一步实现SOT诱导的磁矩翻转。根据理论分析，研究团队尝试进一步实验验证。他们通过分子束外延合成了高质量单晶MnSb2Te4薄膜，并通过磁性与输运测量验证了其中的铁磁性，居里温度约为22 K。另外，根据角度依赖的反常霍尔测试，可以证明MnSb2Te4薄膜具有面外的各向异性。当研究团队在外加面内磁场的情况下，向样品中通入正向的直流电流时，其反常霍尔电阻大小随之变化，直到饱和；而通入反向的直流电流时，其反常霍尔电阻的变化趋势正好相反，如此正反扫描电流可以观测到与磁滞回线类似的窗口。该现象证明了MnSb2Te4薄膜可以直接通过电流进行磁性调控，实现了SOT诱导的磁矩翻转。（图1）

图1：MnSb2Te4中SOT诱导的磁矩翻转。（a）具有SOC的铁磁MnSb2Te4的电子能带结构；（b）不同Mn磁矩方向下的自旋霍尔电导；（c）MnSb2Te4薄膜的X射线衍射图谱；（d）SOT诱导的磁矩翻转示意图；（e）固定偏置电流情况下的反常霍尔测量；（f）电流-电阻翻转回线。

为了全面了解MnSb2Te4中SOT翻转的特性，研究团队尝试在不同温度与磁场下进行样品的测试。在10 K下，临界的翻转电流密度为7.3×105A/cm2。随着外加磁场的增大，磁矩逐渐被钉扎，电流-电阻回线的窗口大小逐渐减小，当外加磁场方向相反时，回线的极性也会变得完全相反，由正磁场下的逆时针变为负磁场下的顺时针。这充分展示了由磁场和电流同时控制的磁性调控行为。另外，随着温度升高，样品中磁性逐渐减弱，回线窗口也逐渐减小。（图2）

图2：MnSb2Te4中不同温度与磁性条件下的磁矩翻转情况。（a）脉冲电流输入示意图；（b）磁场0.1 T电流诱导的磁化过程；（c）和（d）14 K时不同磁场下的翻转情况；（e）-0.2 T磁场下不同温度下翻转情况。

接着，研究团队通过二次谐波霍尔测量对样品中SOT效应进行定量的表征。当样品中通入幅值较小的交流电流时，交流电流产生的SOT效应会使得磁矩在平衡位置附近发生振荡，从而在霍尔测量中产生一个二阶信号，对该信号的测量分析可以定量获得表征SOT效率的自旋霍尔角。在不同磁场角度和幅值电流下测量二次谐波信号，最终可以得到6 K下样品的自旋霍尔角约为41，远大于传统体系。（图3）

图3：MnSb2Te4中SOT效率的定量表征。（a）和（b）6 K和4 T时改变面内磁场与样品电流的方位角测量得到的一阶和二阶的纵向、横向电阻；（c）和（d）二次谐波霍尔信号的对称化和曲线拟合；（e）SOT有效场的拟合，可以得到自旋霍尔角的数值。

在MnSb2Te4薄膜中实现SOT翻转后，研究团队进一步制备了MnSb2Te4/FeTe0.9异质结，利用铁磁/反铁磁耦合产生交换偏置。交换偏置能在无外加磁场的情况下，产生等效的有效磁场，推动无外场的SOT翻转。研究团队在异质结中成功观测到了交换偏置，实现了在零磁场下的SOT诱导的磁矩翻转。（图4）

图4：MnSb2Te4/FeTe0.9中无外加磁场的磁矩翻转。（a）微磁学模拟结果，随着磁场的增大，翻转临界电流下降；（b）MnSb2Te4/FeTe0.9中的交换偏置测量；（c）交换偏置诱导的面外有效磁场测量；（d）零磁场下电流诱导的磁矩翻转；（e）不同磁场下电流-电阻回线。

综上所述，该研究通过理论计算成功预测了MnSb2Te4中可能存在的内禀自旋流诱导的磁矩翻转，并在实验上成功观测到了SOT翻转，自旋霍尔角高达41。同时通过构建异质结，实现了零磁场下的磁矩翻转。这些结果揭示了在单个MnSb2Te4层内磁性调控的新机制，并展现出其在自旋电子器件中的应用潜力。

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf178