自旋霍尔效应 （SHE） 借助自旋轨道耦合将电流转换为纯自旋流，可进一步用于驱动磁矩反转或进动，称为自旋轨道矩 （SOT） 效应。 它成为工业界第三代自旋轨道矩型磁随机存取存储器（SOT-MRAM）的物理基础。 2024年，中科院物理研究所和北京凝聚态物理国家研究中心率先申请并获得了SOT-MRAM领域第一项原创专利[**杨、韩秀峰等，发明专利号：CN200910076048.]。x]，其中发明了两种核心结构，如自旋流发生层、磁性金属层和自旋流发生层、磁隧道结。这两种结构已成为后续SOT效应研究和SOT-MRAM器件开发的核心单元结构。 在此基础上，近十年来，人们尝试进一步优化自旋流发生层，使其具有更高的电流-自旋电流转换效率、自旋霍尔角、零磁场下超快脉冲电流驱动磁转矩翻转的能力、更高的电导率等，最终使数据非易失性SOT-MRAM具有更低的能耗（PJ FJ）， 更快的速度（< 1ns）和更长的循环寿命（>10、10）等综合性能优异。
自旋霍尔效应起源于材料中原子的本征自旋轨道耦合，可以通过三种微观机制产生，包括依赖于能带结构的本征机制、散射相关的侧跳机制和偏斜散射机制，拓宽了更多元素及其合金和化合物的设计空间，以增强自旋霍尔效应。 在此过程中，尝试了许多方法来增强自旋霍尔效应，包括轻金属和重金属元素的合金化、超薄金属堆叠结构等。 这些设计的物理基础是在复合材料中引入更多与自旋轨道耦合相关的杂质散射中心。 然而，与自旋轨道耦合相关的散射不仅包括电子和掺杂原子之间杂质的散射，还包括电子与磁性结构之间的相互作用，如磁子散射或自旋涨落散射。 后者为建立自旋霍尔效应与磁有序结构及其相变之间的相关性提供了物理可能性。
图1反铁磁材料磁序结构中自旋涨落增强自旋霍尔效应的原理示意图。 当温度接近磁序相变温度时，自旋波动加剧。 这导致了两个结果，一个是作为散射中心的局部自旋（黄色箭头）的浓度增加;其次，局部自旋之间的关联长度增加。 这两个原因导致自旋波动，可以增加斜散射和边缘跳跃散射的概率，从而增强自旋霍尔效应。
尽管研究人员已经意识到自旋霍尔效应与磁性结构之间的相关性有望为增强前者提供新的设计思路和技术方法，并试图通过实验揭示自旋霍尔效应与磁有序结构在磁有序系统中的磁相变之间的依赖性， 如铁磁体和反铁磁体，在物理学中仍然很难清晰明确地证明两者之间的相关性。因为在经典的SOT效应研究材料体系中，自旋轨道矩效应不仅与自旋流产生层的体电流-自旋流转换效率有关，还与双层界面的自旋输运效率有关两者都与自旋流生成层的磁性结构有关，这需要将体相效应与界面效应解耦，而界面效应在物理上受到它们与磁性结构的共生关系的阻碍。
正是自旋霍尔效应与磁有序系统之间丰富的物理相关性以及此类研究的巨大挑战导致了这项研究，即利用自旋流生成层、隧道结、磁性金属三层薄膜结构和自旋霍尔隧穿光谱技术来研究反铁磁材料铬作为自旋流产生层中磁有序与自旋霍尔效应之间的“强关联”。 这种隧道结结构避免了自旋流发生层与磁性金属层之间的直接接触，因此也有效地避免了上述界面效应的干预，从而可以突出体相效应。 自旋霍尔隧穿光谱可以同时测量正自旋霍尔效应（DSHE）和反向自旋霍尔效应（ISHE），是一种互补的测量方法，可以显著提高实验数据的可信度。 所选金属CR材料不仅是典型的反铁磁材料，而且可以通过分子束外延技术轻松嵌入CR Mgo Fe全单晶磁隧穿结中，单晶体系可显著降低杂质散射对SHE的影响，更有利于磁有序的提纯，凸显其主导作用。
图2（a） 自旋霍尔隧道光谱测量布局示意图。 （b） 逆自旋霍尔效应测量的安排。 （c） 正自旋霍尔效应测量的安排。 （d） 正向和反向自旋霍尔电阻与温度的关系。
如图 2 所示，在电极 1 和电极 3 之间施加电流，然后将自旋极化电流注入 CR自旋流部分是由于反向自旋霍尔效应的存在，导致2-4个电极之间产生横向电流。 并且由于 2-4 个电极之间的开路环境，我们最终可以检测到 2-4 个电极之间由于 ISHE 引起的电压值。 电压值的极性可以通过反转有限元磁化强度的方向来改变，这可以作为识别ISHE信号的依据。 相反，当我们在2-4个电极之间引入电流时，由于CR中存在正自旋霍尔效应，在CR MGO界面处会形成非平衡自旋积累，从而在该界面处产生自旋化学势。 这些自旋化学成分可以通过MGO Fe和铁磁电极的隧穿结点读出，而铁磁电极又在电极1和3之间产生电压。 同样，检测电压的极性与作为检测电极的FE的磁化方向有关，这也是筛选DSHE信号的基础。 利用该测量方法，我们得到了CR的自旋霍尔角-电流-自旋流转换效应随温度的变化关系，并求出了CR的Nair温度-反铁磁-顺磁相变点附近的自旋霍尔角的最大值。
图3在图左上角区域的数据点，不同材料体系的电阻率与自旋轨道转矩驱动磁矩翻转效率的关系较好。 （a） 根据与p成正比的能源效率进行比较。 （b） 数字按 p 与 成比例进行比较。 其中是材料的电阻率，是自旋扩散长度，是自旋霍尔角。 （b） 该图考虑了界面自旋回流的影响。 由于CR具有较长的自旋扩散长度，因此其性能在（b）中较低。 然而，在实际的SOT-MRAM器件中，可以抑制自旋回流效应，因此根据图（A）比较了实际器件能耗，CR材料可以显示出其优于其他自旋流发生层材料的优势。
实验结果清楚地证明了反铁磁材料Cr体相中的自旋霍尔效应与磁有序结构具有很强的相关性，并证实了磁有序结构及其在相变温度附近的自旋涨落现象增强自旋霍尔效应的可行性此外，与传统重金属相比，CR材料本身具有更高的电导率和更长的自旋扩散长度，具有磁序结构自旋涨落增强自旋霍尔效应的CR材料的发现为开发低能量、低成本的SOT-MRAM器件提供了一类新的材料选择。 该作品已发表在Nano Express上。 中国科学院物理研究所韩秀峰研究员、万彩华副研究员、法国洛林大学卢渊教授作为共同通讯作者构思并指导了该研究方驰博士（中国科学院物理研究所博士毕业，现为德国马克斯·普朗克微结构物理研究所博士后）为第一作者S. S.，马克斯·普朗克微结构物理研究所所长 s. p.Parkin教授提供了数据分析方面的指导;北京大学唐宁教授和日本国立材料研究所温振超研究员为薄膜的制备提供了支持美国橡树岭国家实验室的Satoshi Okamoto博士和日本RIKEN中心的Naoto Nagaosa教授为该研究提供了理论指导。 其他合作者参与了数据分析、薄膜沉积和写作。 这项工作感谢中国科学院、中华人民共和国科学技术部的重点研发项目和**委员会重点项目等项目。
编辑：Nilo。