自旋电子材料和器件在新一代低功耗、高速度存储和逻辑芯片中具有重大的应用前景。传统的(铁序)磁性材料根据宏观磁性进行分类，分为铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。最近的理论研究提出了自旋空间群的概念，在考虑磁相互作用和弱自旋轨道耦合的前提下，自旋结构与晶体结构之间存在着解耦合的特性；基于自旋空间群的概念，在新一类反铁磁材料中，即交错磁性材料，虽然其宏观磁性为0，但是其自旋能带中出现动量空间的自旋劈裂效应（Spin splitting effect, SSE），源于反铁磁两套自旋格子感受的晶体环境的非等价性，并且其产生的自旋极化方向沿着反铁磁序Néel矢量方向。SSE具有可控的自旋极化方向和可控的自旋流，为电控磁提供了更为灵活的方式，因此基于交错磁体的自旋劈裂力矩-磁性随机存储器(SST-MRAM)同时兼备了STT-MRAM和SOT-MRAM的优点，为磁性随机存储器产业提供了具有原创性的技术方案。

近期，松山湖材料实验室自旋量子材料与器件课题组研究了具有倾斜Néel矢量(101)-RuO₂交错磁体中的正-逆自旋劈裂效应（ASSE）。通过脉冲激光沉积结合磁控溅射的方式制备了高质量的RuO₂薄膜和RuO₂/Py磁异质结构，分别结合自搭建的自旋轨道力矩铁磁共振（ST-FMR）技术和自旋泵浦技术，同时进行了正-逆自旋劈裂效应的系统表征：通过ST-FMR技术对电流沿RuO₂不同晶体取向进行了各向异性的自旋力矩测试，发现只有当电流沿[010]方向时，才具有显著的z-方向自旋力矩；进一步，利用直流电流诱导的SST调节共振线宽即MOD方法更加直接评估了类阻尼力矩效率，获得各向异性的类阻尼力矩且与温度有强烈的依赖关系；通过自旋泵浦技术在RuO₂中进行逆自旋劈裂效应（IASSE）测试，分别利用面内和面外微波场激励两种手段，实现发现与晶体取向相关的自旋泵浦信号（沿[010]方向最大化）以及较低温度下各向异性的自旋泵浦信号的增强，证实RuO₂中的IASSE。本研究揭示了RuO₂中与晶体取向相关的正-逆自旋劈裂效应诱导的电荷-自旋相互转换现象，且具有与温度高度相关的特性。这一研究结果将进一步推动对交错磁体中自旋劈裂效应的理解，为未来自旋劈裂力矩-磁性随机存储器(SST-MRAM)奠定科学基础。

相关研究成果以“Direct and Inverse Spin Splitting Effects in Altermagnetic RuO₂”为题发表在Advanced Science期刊，松山湖材料实验室为论文第一单位，郭雅琴博士后和张静副研究员为论文第一和共同第一作者，吴昊研究员为论文通讯作者。特别感谢材料制备与表征平台在磁/电输运测试方面的设备/平台支持。该工作得到了科技部国家重点研发计划(2022YFA1402801)、国家自然科学基金委 (52271239)、广东省基金委 (2022B1515120058, 2022A1515110648, and 2023A1515010953)、松山湖材料实验室启动基金(Y1D1071S511)的经费支持。

图1. 交错磁体(101)-RuO₂原子结构和RuO₂/Py异质结中类阻尼力矩效率与温度的依赖关系

图2. RuO₂/Py异质结中自旋泵浦信号

原文链接： http://doi.org/10.1002/advs.202400967

撰稿：自旋量子材料与器件团队