beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室葉堉研究員，beat365材料科學與工程學院侯仰龍教授與中國科學院物理研究所劉恩克研究員等合作在磁性外爾半金屬Co₃Sn₂S₂中觀測到自旋轉移力矩導緻的高效電流調制磁性效應，揭示了磁性外爾半金屬在超低能耗自旋電子學器件的應用前景。2022年12月22日，相關研究以“Co₃Sn₂S₂中通過電流輔助疇壁運動進行磁性調制”（Magnetism modulation in Co₃Sn₂S₂ by current-assisted domain wall motion）為題在線發表于《自然·電子學》（Nature Electronics）。 

利用電學手段高效操控磁疇壁運動是賽道存儲器和疇壁邏輯等新興自旋電子學應用的基礎，有助于實現高密度和低能耗的儲存和運算單元。根據器件結構的不同，目前主要有自旋轉移力矩（spin-transfer torque, STT）和自旋軌道力矩（spin-orbit torque, SOT）兩種實現方式。SOT器件通過具有強自旋軌道耦合效應的非磁性層産生的自旋流對鐵磁層施加力矩，需要制備複雜的多層膜結構。STT器件的自旋流則來自鐵磁層自身，因此可以在單一材料中實現疇壁控制。目前STT器件在實際應用中存在以下問題：首先，受限于傳統鐵磁金屬中的釘紮效應，STT推動疇壁需要施加 10⁶−10⁸ A cm⁻² 的電流密度阈值，增加了器件的能耗并限制了其應用；其次，利用STT難以直接調制均勻磁化樣品的磁性。與傳統鐵磁金屬不同，磁性外爾半金屬Co₃Sn₂S₂在費米能級處具有低的态密度和與磁矩方向高度相關的能帶結構，因此同時具有低飽和磁化強度、強單軸各向異性以及高自旋極化率等優異性質，在理論上有望實現極高效率的電流調控效應。

研究團隊首先利用改進的化學氣相輸運方法生長了高質量的Co₃Sn₂S₂單晶納米片，并通過電學輸運測量發現當注入超過某一阈值的直流電流時，Co₃Sn₂S₂的矯頑場發生顯著變化（圖1）。實驗上在不同測量溫度、不同生長襯底和不同生長批次的樣品中均觀測到同樣的行為，并且僅需10⁵−10⁷ A cm⁻²的電流密度就能夠将矯頑場從20.0 kOe降低至0.1 kOe。

圖1 a，Co₃Sn₂S₂納米片及霍爾器件的光學顯微鏡照片; b，當電流超過某一阈值時，器件的矯頑場快速下降，并且與熱效應導緻的矯頑場變化顯著不同

通過設計不同電極形狀的樣品，發現該電流調制效應的對稱性與常見的熱效應、SOT、奧斯特場等均不相同，但是與電流産生STT輔助疇壁運動進而改變矯頑場的模型定性相符（圖2）。

圖2 a，器件2在不同直流電流下的滞回曲線; b，器件2矯頑場随電流的變化關系

為了定量揭示該電流調制磁性效應的物理來源，研究團隊設計并制備了Co₃Sn₂S₂納米線器件，通過進行電流和外場依賴的疇壁遷移率測量，獲得的STT效率與電流注入直接調制矯頑場的效率定量相符，從而證明了Co₃Sn₂S₂在150 K具有高達2.4−5.6 kOe MA⁻¹ cm²的STT效率，是目前所有報道的材料體系中最高的（圖3）。

圖3 a，Co₃Sn₂S₂納米線器件進行疇壁遷移率測量的示意圖; b，不同樣品和實驗方法測得的STT效率

實驗發現在160 K推動Co₃Sn₂S₂磁疇壁的電流密度阈值在零外場下小于5.1 × 10⁵ A cm⁻²，在0.2 kOe外場下小于1.5 × 10⁵ A cm⁻²，均是已知鐵磁金屬材料中最小的。疇壁運動的分析模型和微磁學模拟證實了這些優異的性能來自于Co₃Sn₂S₂的低飽和磁化強度、強單軸各向異性以及高自旋極化率等特殊的磁學和電輸運性質，從而為磁性外爾半金屬應用于下一代自旋電子學器件提供了有力的實驗和理論支持。

中國科學院物理研究所劉恩克研究員、beat365材料科學與工程學院侯仰龍教授和beat365官方网站葉堉研究員為論文共同通訊作者；beat365官方网站2021屆本科畢業生王秋原（現為美國麻省理工學院博士研究生）、beat365材料科學與工程學院2018級博士研究生曾怡為論文共同第一作者。其他主要合作者包括中國科學院金屬研究所王漢文助理研究員，山西大學韓拯教授，日本九州大學Kentaro Nomura副教授和中國科學院物理研究所王文洪研究員。 

該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室等支持。

論文原文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41928-022-00879-8