近日，大连理工大学王译教授和新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授的AMR述评文章“Spin−Orbit Torques Based on Topological Materials”在线发表。文章重点总结了研究团队基于拓扑绝缘体和外尔半金属材料的自旋结构、电荷—自旋转换效率、自旋轨道转矩（SOT）以及自旋轨道转矩驱动磁矩翻转的最新研究进展，展望了在拓扑自旋电子器件研发和应用方面仍面临的一些挑战以及需要深入开展的研究方向。
关键词：拓扑绝缘体，外尔半金属，自旋轨道转矩，磁矩调控与翻转，垂直自旋极化，DM相互作用，信息存储
Room-temperature magnetization switching by the electron-mediated or magnon-mediated spin torque is demonstrated in topological insulator-based devices. The switching current density JC is on the order of ∼105 A/cm2.
Weyl semimetals (e.g., WTe2) can show an additional sizable out-of-plane spin polarization, which can be detected by electrical and optical techniques.
Wafer-scale topological materials prepared by industry-compatible techniques can have SOTs as large as in single-crystalline topological materials.
文章内容简介
自旋轨道转矩（SOT）效应是一种有效调控磁矩的新机制。在众多材料体系中，拓扑绝缘体和拓扑半金属材料具有强的自旋轨道耦合作用和独特的拓扑能带结构，表现出显著的SOT效应，被认为是一类非常有潜力的自旋电子学材料。基于拓扑材料的自旋电子学研究方兴未艾，在物理、材料和器件方面仍然存在很多问题有待研究和澄清。
图1 基于拓扑绝缘体和外尔半金属材料的SOT研究
我们总结了本研究团队在拓扑材料与器件中自旋轨道转矩研究的最新进展：
（1）拓扑绝缘体单层薄膜具有奇特的物理特性，包括电子传输特性、电荷—自旋转换以及独特的自旋结构；拓扑绝缘体Bi2Se3磁性异质结器件具有显著的面内和面外SOT分量，起源于拓扑表面态以及费米面处能带hexagonal warping效应；通过调节拓扑绝缘体的晶体取向、维度和界面等，有效调控SOT效率；成功利用电子自旋和磁振子驱动铁磁磁矩翻转，翻转电流密度比传统重金属体系降低了10-100倍。
（2）利用电学和光学测量手段观测到外尔半金属WTe2具有垂直自旋极化和垂直类阻尼SOT，有利于实现无外磁场辅助的SOT驱动磁矩翻转；在WTe2磁性异质结界面观测到DM相互作用并实现了高效率的SOT驱动磁矩翻转。
（3）利用半导体工艺兼容的制备方法制备了大尺寸拓扑绝缘体和外尔半金属薄膜，获得了与单晶材料相比拟的SOT效率。
最后，我们讨论了基于拓扑材料的SOT器件在信息存储实际应用中仍然面临的一些挑战和未来研究内容。
NO.1
AMR：请问您选择该领域的初心是？
作者团队：
自旋电子器件具有非易失、低功耗、高速度等优点，在信息存储、存内计算以及神经形态计算等领域具有重要的应用价值。SOT效应能够有效调控磁矩的取向，有望突破自旋电子器件速度和寿命的物理限制。如何提高SOT效率，降低磁矩翻转的临界电流和功耗，是需要解决的一个关键问题。拓扑材料（比如拓扑绝缘体、拓扑半金属等）具有拓扑能带结构和独特的自旋构型，表现出奇异的物理特性和强的SOT效应。因此，我们希望通过开展基于拓扑材料的SOT研究，能够显著降低信息存储器件的功耗，推动拓扑材料在实际自旋电子器件中的应用。
NO.2
AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！
作者团队：
面向SOT信息存储器的实际应用，信息写入速度、临界驱动电流、信息保持时间、器件寿命以及半导体工艺兼容性等方面都要满足特定的要求。因此如何使基于拓扑材料的SOT器件具备上述应用特征要求，还需系统深入研究，比如提升拓扑材料及其异质结的SOT综合性能；制备出高热稳定性、大面积的拓扑薄膜材料；实现无外磁场辅助的SOT驱动垂直磁矩翻转以及探索器件集成工艺等。希望通过科研人员的不断努力，将来能够实现基于拓扑材料的高性能自旋器件实际应用。
NO.3
AMR：您对该领域的发展有何愿景?
作者团队：
希望该领域充分开展交叉研究，面向应用领域培养更多人才，开发出满足实际应用需求的拓扑材料以及拓扑自旋器件，实现高性能的信息存储与计算功能。
作者团队简介
大连理工大学物理学院
王译 教授
王译，大连理工大学物理学院、三束材料改性教育部重点实验室教授，自旋量子材料与器件课题组组长。入选国家级青年人才、辽宁省优青、大连市高端人才等。获得山东大学学士学位，中国科学院物理研究所博士学位；在新加坡国立大学电子与计算机工程系从事博士后研究近六年，随后就职大连理工大学。在Science、Physical Review Letters、Nature Communications、Nano Letters等期刊发表第一/通讯作者论文17篇，在Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Physics等期刊合作发表论文20篇；授权中国发明专利3项、美国发明专利1项。研究领域包括SOT-MRAM，自旋轨道转矩，磁振子转矩，拓扑低维材料与器件，磁振子器件等。
新加坡国立大学
电子与计算机工程系
Hyunsoo Yang 教授
Hyunsoo Yang，新加坡国立大学电子与计算机工程系教授, 格罗方德讲席教授。获得韩国首尔大学学士学位，美国斯坦福大学硕士和博士学位；先后在韩国C&S科技与美国Intelligent Fiber Optic Systems公司从事产品研发，在IBM-斯坦福自旋电子学科学与应用中心学习和工作，2007年就职新加坡国立大学。发表学术论文230余篇，做邀请报告200次，授权专利18项；2006年获得美国物理学会（APS-GMAG）杰出论文奖，2019年获得IEEE磁学学会杰出讲师称号，2020年获得信息与通讯科技部长奖。研究领域包括MRAM，自旋轨道转矩、磁性手性结构、拓扑材料，太赫兹和磁振子器件等。
扫码阅读王译教授和Hyunsoo Yang教授团队的精彩Account文章：
Spin−Orbit Torques Based on Topological Materials
Yi Wang* and Hyunsoo Yang*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00123
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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