金屬所發現交變磁體中平坦費米面激發電荷流-自旋流轉化量子極限

　　自旋電子學器件的核心在于利用自旋流傳遞角動量從而實現低能耗、高速的存儲和邏輯信號調控，在信息技術、量子計算和低功耗電子學中具有重要應用。自旋電子學器件通常由電流與電場來操控，電流轉換為自旋流的轉化效率(CSE, Charge-to-Spin Efficiency)是衡量自旋電子學器件性能的關鍵指標。當前，調控自旋電子學器件的自旋流主要有兩種機制：通過自旋轉移力矩機制(Spin Transfer Torque, STT)實現自旋調控易受到自旋散射的限制，其縱向電輸運信號使得磁隧道結器件存在無法分離讀與寫通道的問題；自旋軌道力矩機制(Spin-orbital Torque, SOT)雖可實現橫向電輸運，卻存在電子自旋自由程低的瓶頸，導致自旋流在傳輸過程中迅速衰減，限制了自旋角動量的注入效率。因此，在自旋電子學器件中亟待實現既具備高CSE轉化效率和長的自旋自由程“雙重”特性，從而解決器件的低功耗化、微型化和非易失化這一科學挑戰。
 

　　不同于以上兩種自旋轉移力矩和自旋軌道力矩機制，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料人工智能部提出了新的自旋劈裂矩機制(Spin Splitting Torque, SST)與費米面幾何結構之間的定量關系。通過構建費米面各向異性有效理論模型，闡明費米面幾何結構與CSE轉化效率對應關系(圖1)，發現平坦費米面幾何結構會實現CES轉化效率的量子極限(100%)。在傳統反鐵磁體系中，不會產生自旋流。而在交變磁體中，自旋劈裂源于磁有序而非自旋軌道耦合效應，其具備長自旋自由程的特性；當體系的自旋各向異性劈裂增加，引起時間反演反對稱(T-odd)的自旋流，會導致有限的CSE轉化效率；當平坦費米面幾何結構出現時d波的自旋各向異性則可達到T-odd類型的CSE轉化效率的量子極限。
 

　　研究團隊對室溫d波交變磁體KV2O2Se材料進行了理論計算(圖2)，表明KV2O2Se在kz方向上出現平坦費米面(幾乎不存在色散)，并且兩組相互垂直的費米面被相反的自旋量子態占據，這與理論建模所揭示的特性非常相近，表明該體系可存在異常大的CSE轉化效率。基于團隊自主開發的量子響應計算程序，進一步計算了KV2O2Se的自旋電導率和CSE轉化效率，表明KV2O2Se中可實現沿[110]和[100]方向的橫向和縱向的自旋流。在電荷中性點CSE轉化效率可達78%，微弱電子摻雜后CSE更可達到98%。進一步模擬了溫度和材料缺陷的影響，表明KV2O2Se中的CSE轉化效率具有很強的魯棒性。
 

　　KV2O2Se的結果與已知的其他材料進行了對比分析(圖3)。KV2O2Se在電荷中性點的CSE顯著高于其他交錯磁體，是備受關注的RuO2的兩倍，刷新了目前T-odd類 CSE轉化效率的記錄。KV2O2Se的自旋電導率可同時在橫向和縱向上達到3.2×104 (?/2e) (S/cm)，流密度領先于絕大多數目前已有報道的本征磁性材料。該工作提出了通過“費米面幾何工程”實現材料自旋性能調控可達量子極限的原創思路，并建議了有效的候選材料。
 

　　該項研究近期以“d-Wave Flat Fermi Surface in Altermagnets Enables Maximum Charge-to-Spin Conversion”為題近日發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters, 135, 256702 (2025))。中國科學院金屬研究所的特別研究助理賴俊文為第一作者，陳星秋研究員、孫巖研究員以及中國科學院微電子研究所的邢國忠研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委基礎科學中心項目和國家重點研發計劃等資助。

 

圖1 各向異性交錯磁體模型的與不同費米面下的電荷-自旋轉化效率
 

圖2 KV2Se2O的電子結構和自旋電導率的理論計算結果
 

圖3 KV2Se2O的自旋電導率和電荷-自旋轉化率和現有其他研究的對比