自旋電子學(xué)器件的核心在于利用自旋流傳遞角動量從而實現(xiàn)低能耗、高速的存儲和邏輯信號調(diào)控，在信息技術(shù)、量子計算和低功耗電子學(xué)中具有重要應(yīng)用。自旋電子學(xué)器件通常由電流與電場來操控，電流轉(zhuǎn)換為自旋流的轉(zhuǎn)化效率(CSE, Charge-to-Spin Efficiency)是衡量自旋電子學(xué)器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)前，調(diào)控自旋電子學(xué)器件的自旋流主要有兩種機制：通過自旋轉(zhuǎn)移力矩機制(Spin Transfer Torque, STT)實現(xiàn)自旋調(diào)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(jié)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(xiàn)橫向電輸運，卻存在電子自旋自由程低的瓶頸，導(dǎo)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(xué)器件中亟待實現(xiàn)既具備高CSE轉(zhuǎn)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(xué)挑戰(zhàn)。
 

　　不同于以上兩種自旋轉(zhuǎn)移力矩和自旋軌道力矩機制，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)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(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系。通過構(gòu)建費米面各向異性有效理論模型，闡明費米面幾何結(jié)構(gòu)與CSE轉(zhuǎn)化效率對應(yīng)關(guān)系(圖1)，發(fā)現(xiàn)平坦費米面幾何結(jié)構(gòu)會實現(xiàn)CES轉(zhuǎn)化效率的量子極限(100%)。在傳統(tǒng)反鐵磁體系中，不會產(chǎn)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(yīng)，其具備長自旋自由程的特性；當(dāng)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(dǎo)致有限的CSE轉(zhuǎn)化效率；當(dāng)平坦費米面幾何結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時d波的自旋各向異性則可達(dá)到T-odd類型的CSE轉(zhuǎn)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(jìn)行了理論計算(圖2)，表明KV2O2Se在kz方向上出現(xiàn)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(tài)占據(jù)，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(zhuǎn)化效率。基于團隊自主開發(fā)的量子響應(yīng)計算程序，進(jìn)一步計算了KV2O2Se的自旋電導(dǎo)率和CSE轉(zhuǎn)化效率，表明KV2O2Se中可實現(xiàn)沿[110]和[100]方向的橫向和縱向的自旋流。在電荷中性點CSE轉(zhuǎn)化效率可達(dá)78%，微弱電子摻雜后CSE更可達(dá)到98%。進(jìn)一步模擬了溫度和材料缺陷的影響，表明KV2O2Se中的CSE轉(zhuǎn)化效率具有很強的魯棒性。
 

　　KV2O2Se的結(jié)果與已知的其他材料進(jìn)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(guān)注的RuO2的兩倍，刷新了目前T-odd類 CSE轉(zhuǎn)化效率的記錄。KV2O2Se的自旋電導(dǎo)率可同時在橫向和縱向上達(dá)到3.2×104 (?/2e) (S/cm)，流密度領(lǐng)先于絕大多數(shù)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(xiàn)材料自旋性能調(diào)控可達(dá)量子極限的原創(chuàng)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(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters, 135, 256702 (2025))。中國科學(xué)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(xué)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(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目和國家重點研發(fā)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(zhuǎn)化效率
 

圖2 KV2Se2O的電子結(jié)構(gòu)和自旋電導(dǎo)率的理論計算結(jié)果
 

圖3 KV2Se2O的自旋電導(dǎo)率和電荷-自旋轉(zhuǎn)化率和現(xiàn)有其他研究的對比