摘要：北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室叶堉研究员，北京大学材料科学与工程学院侯仰龙教授与中国科学院物理研究所刘恩克研究员等合作在磁性外尔半金属Co3Sn2S2中观测到自旋转移力矩导致的高效电流调制磁性效应，揭示了磁性外尔半金属在超低能耗自旋电子学器件的应用前景。2022年12月22日，相关研究以“Co3Sn2S2中通过电流辅助畴壁运动进行磁性调制”（Magnetism modulation in Co3Sn2S2 by current-assisted domain wall motion）为题在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics）。
利用电学手段高效操控磁畴壁运动是赛道存储器和畴壁逻辑等新兴自旋电子学应用的基础，有助于实现高密度和低能耗的储存和运算单元。根据器件结构的不同，目前主要有自旋转移力矩（spin-transfer torque, STT）和自旋轨道力矩（spin-orbit torque, SOT）两种实现方式。SOT器件通过具有强自旋轨道耦合效应的非磁性层产生的自旋流对铁磁层施加力矩，需要制备复杂的多层膜结构。STT器件的自旋流则来自铁磁层自身，因此可以在单一材料中实现畴壁控制。目前STT器件在实际应用中存在以下问题：首先，受限于传统铁磁金属中的钉扎效应，STT推动畴壁需要施加 106−108 A cm−2 的电流密度阈值，增加了器件的能耗并限制了其应用；其次，利用STT难以直接调制均匀磁化样品的磁性。与传统铁磁金属不同，磁性外尔半金属Co3Sn2S2在费米能级处具有低的态密度和与磁矩方向高度相关的能带结构，因此同时具有低饱和磁化强度、强单轴各向异性以及高自旋极化率等优异性质，在理论上有望实现极高效率的电流调控效应。
研究团队首先利用改进的化学气相输运方法生长了高质量的Co3Sn2S2单晶纳米片，并通过电学输运测量发现当注入超过某一阈值的直流电流时，Co3Sn2S2的矫顽场发生显著变化（图1）。实验上在不同测量温度、不同生长衬底和不同生长批次的样品中均观测到同样的行为，并且仅需105−107 A cm−2的电流密度就能够将矫顽场从20.0 kOe降低至0.1 kOe。
图1 a，Co3Sn2S2纳米片及霍尔器件的光学显微镜照片; b，当电流超过某一阈值时，器件的矫顽场快速下降，并且与热效应导致的矫顽场变化显著不同
通过设计不同电极形状的样品，发现该电流调制效应的对称性与常见的热效应、SOT、奥斯特场等均不相同，但是与电流产生STT辅助畴壁运动进而改变矫顽场的模型定性相符（图2）。
图2 a，器件2在不同直流电流下的滞回曲线; b，器件2矫顽场随电流的变化关系
为了定量揭示该电流调制磁性效应的物理来源，研究团队设计并制备了Co3Sn2S2纳米线器件，通过进行电流和外场依赖的畴壁迁移率测量，获得的STT效率与电流注入直接调制矫顽场的效率定量相符，从而证明了Co3Sn2S2在150 K具有高达2.4−5.6 kOe MA−1 cm2的STT效率，是目前所有报道的材料体系中最高的（图3）。
图3 a，Co3Sn2S2纳米线器件进行畴壁迁移率测量的示意图; b，不同样品和实验方法测得的STT效率
实验发现在160 K推动Co3Sn2S2磁畴壁的电流密度阈值在零外场下小于5.1 × 105 A cm−2，在0.2 kOe外场下小于1.5 × 105 A cm−2，均是已知铁磁金属材料中最小的。畴壁运动的分析模型和微磁学模拟证实了这些优异的性能来自于Co3Sn2S2的低饱和磁化强度、强单轴各向异性以及高自旋极化率等特殊的磁学和电输运性质，从而为磁性外尔半金属应用于下一代自旋电子学器件提供了有力的实验和理论支持。
中国科学院物理研究所刘恩克研究员、北京大学材料科学与工程学院侯仰龙教授和北京大学物理学院叶堉研究员为论文共同通讯作者；北京大学物理学院2021届本科毕业生王秋原（现为美国麻省理工学院博士研究生）、北京大学材料科学与工程学院2018级博士研究生曾怡为论文共同第一作者。其他主要合作者包括中国科学院金属研究所王汉文助理研究员，山西大学韩拯教授，日本九州大学Kentaro Nomura副教授和中国科学院物理研究所王文洪研究员。
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、磁电功能材料与器件北京市重点实验室、人工微结构和介观物理国家重点实验室等支持。
论文原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00879-8
