近日，复旦大学物理学系修发贤课题组与合作者在磁性拓扑材料MnSb2Te4中实现了基于非对称拓扑表面态的磁矩翻转。2025年5月9日，相关成果以《基于非对称拓扑表面态的磁矩翻转》（Magnetization Switching by Asymmetric Topological Surfaces）为题在线发表于期刊《国家科学评论》（National Science Review, nwaf178 (2025)）。该项工作由复旦大学物理学系修发贤课题组、苏州大学物理科学与技术学院俞颉翔课题组、北京工业大学李昂研究员和韩晓东教授合作完成。
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体系往往需要材料内存在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，如图1（a）所示，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。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。
研究团队通过分子束外延合成了高质量的MnSb2Te4单晶薄膜，X射线衍射图谱如图1（b）所示。利用微纳加工工艺，团队将样品加工成适合输运测量的Hall bar结构。在外加面内磁场的情况下，向器件中输入脉冲电流后，可以测量反常霍尔电阻确定磁矩翻转的情况。实验中发现，随着脉冲电流增加，其反常霍尔电阻大小随之变化，直到饱和；而脉冲电流反向增大时，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。从图1（c）和（d）可以看到，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。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。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，拟合得到图1（e）中的SOT有效场，最终确定6 K下样品的自旋霍尔角约为41，远大于传统体系。
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1（f））。
图1 (a) 理论计算得到的不同Mn磁矩方向下的自旋霍尔电导；(b) MnSb2Te4薄膜的X射线衍射图谱；(c)和(d) 14 K温度下不同磁场的翻转情况；(e) SOT有效场的拟合，可以得到自旋霍尔角的数值；(f) MnSb2Te4/FeTe0.9中零磁场下电流诱导的磁矩翻转。
该工作首次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相关现象，进一步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。
该项研究工作得到了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、基金委青年基金A、原创探索计划项目和上海市基础研究特区计划项目的大力支持与资助。论文的第一单位为复旦大学物理学系，复旦大学物理学系修发贤教授、苏州大学物理科学与技术学院俞颉翔教授为通讯作者。修发贤课题组博士生李子晗（现上海交通大学博士后）、俞颉翔课题组博士生潘晟为共同第一作者。
修发贤课题组主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在拓扑狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方向主要研究其电学、磁学和光电特性。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf178
