近日，清华大学集成电路学院南天翔副教授课题组联合清华大学材料学院易迪副教授团队、中国科学院合肥物质科学研究院朱雪斌教授团队等，在极性金属自旋电流产生机制研究中取得重要进展。研究团队在金属型二氧化铂钴（PtCoO2）薄膜中发现，局域极性纳米区能够在保持材料高导电性的同时显著增强电荷—自旋转换效率，为低功耗自旋电子器件提供了新的材料设计思路。

自旋电子器件通过利用电子的自旋自由度实现信息操作，被认为是后摩尔时代低功耗存储与计算的重要技术方向之一。理想的自旋源材料既需要具备高效电荷—自旋转换能力，又需要具有高电导率。然而，这两个要求往往难以同时满足。如何突破电荷—自旋转换效率与电阻损耗之间的权衡，是自旋轨道磁随机存储器（SOT-MRAM）等新型自旋电子器件走向应用的关键问题。

针对上述问题，研究团队提出了一种提升电荷—自旋转换效率的新策略。在高度导电的层状金属中引入局域电极性，从而打破晶格空间反演对称性并增强自旋流产生。该思路基于空间反演对称性与自旋—轨道耦合之间的紧密关联，打破反演对称性可以改变材料电子结构，为增强电荷—自旋转换提供新的物理途径。

研究团队聚焦于一类特殊的准二维金属——铜铁矿（delafossite）型层状氧化物。以PtCoO2为例，该材料由高导电铂（Pt）原子层与二氧化钴（CoO2）层交替堆叠而成。其独特层状结构使电荷主要在Pt层内高效输运，赋予材料超低电阻率；与此同时，CoO2层可以容纳晶格畸变，为引入局域极性结构提供空间。在PtCoO2中，导电层与结构功能层的相对分离，使研究团队能够在不显著破坏材料金属性的前提下引入局域极性畸变。

研究团队制备了高质量PtCoO2薄膜，并结合光学二次谐波、四维扫描透射电子显微镜等表征手段，揭示了薄膜中存在局域化极性纳米区域。这些极性纳米区来源于原子尺度的面外位移，使局域晶体结构打破反演对称性。进一步分析表明，极性位移区域与氧空位相关的局域结构畸变密切相关。

图1.PtCoO2薄膜面外极性的实验证据及密度泛函理论计算（a）PtCoO2原子结构示意图；（b）电输运；（c）SHG测试；（d-g）4D-STEM叠层技术结果；（h-i）极化PtCoO2原子结构和DFT计算结果；（j-k）非极化PtCoO2原子结构和DFT计算结果

为了验证极性纳米区对电荷—自旋转换的作用，研究团队比较了极性PtCoO2和非极性PtCoO2样品的自旋轨道矩响应。结果表明，极性PtCoO2的自旋测试信号响应显著强于非极性PtCoO2样品。进一步分析显示，与非极性PtCoO2相比，极性PtCoO2的电荷—自旋转换效率提高超过30倍。由于材料同时保持极低电阻率，其室温自旋霍尔电导率达到1.6×10??/2e (Ω·m)?1，高于已报道的多种代表性自旋源材料。第一性原理计算进一步揭示，氧空位相关的极性畸变可以重塑PtCoO2的电子结构，并增强自旋流产生。

图2.基于PtCoO2异质结构的自旋轨道矩效率测量

图3.经典自旋源材料的自旋霍尔电导率SHC和电阻率对比。极化PtCoO2（红星）位于图表左上方，同时实现高SHC和低电阻率

在器件层面，研究团队进一步证明，极性PtCoO2可以驱动相邻铁磁层发生高效自旋轨道矩翻转。与使用常规重金属Pt作为自旋源层的对照器件相比，PtCoO2器件表现出显著降低的开关电压和开关功耗。此外，研究还证明PtCoO2薄膜可以在硅衬底上保持极性金属性和高自旋轨道矩效率。这一结果对于与现有硅基平台兼容具有重要意义，也为低功耗自旋存储和逻辑器件提供了新的材料选择。

图4.极化PtCoO?与传统Pt的自旋轨道矩磁化翻转特性

研究通过在高导电金属中引入局域极性结构，实现低电阻损耗和高电荷—自旋转换效率的协同。在层状PtCoO2中，高导电Pt层主要承担电荷输运，局域极性畸变则可以在不显著破坏导电通道的情况下引入反演对称性破缺。这种层状结构为高导电性和结构功能性的共存提供了新的可能。未来，如果能够进一步调控极性纳米区的密度、取向和空间分布，或者将类似的对称性工程推广到其他高导电层状金属中，有望发现更多低损耗、高效率的新型自旋源材料。

研究成果以“金属型PtCoO2中极性纳米区诱导的大自旋霍尔电导率”（Polar Nano-Regions Enable Large Spin Hall Conductivity in Metallic PtCoO?）为题，于6月12日发表于《自然·材料》（Nature Materials）。

清华大学集成电路学院纪桂萍博士，清华大学材料学院2022级博士生郑怡，清华大学集成电路学院博士后梁宇晗、张跃杰，中国科学院合肥物质科学研究院副研究员魏仁怀为论文共同第一作者。清华大学集成电路学院副教授南天翔、清华大学材料学院副教授易迪和中国科学院合肥物质科学研究院教授朱雪斌为论文共同通讯作者。