迈向二维范德华磁振子传输器件：WTe2电极实现高效磁振子自旋注入与检测

《ACS Nano》：Toward Two-Dimensional van der Waals Magnon Transport Devices: WTe2 Electrodes for Efficient Magnon Spin Injection and Detection

二维非磁性材料WTe?作为高效磁子自旋注入与检测电极，在CrPS?基抗铁磁体中实现了平面与垂直平面极化磁子自旋的双功能调控，其电荷-自旋转换效率较Pt电极提升0.45倍（平面）和1.7倍（垂直平面）。

　　在现代科技发展的进程中，研究磁性材料中集体激发现象（如自旋波或其量子形式——磁子）的传输机制，成为探索低功耗、高速度波导计算技术的重要方向。磁子作为信息载体，其自旋特性对于构建新型磁子器件具有重要意义。然而，实现高效的磁子自旋注入与检测，一直是二维材料基磁子传输设备发展的关键瓶颈。本文通过研究一种非磁性二维范德华材料——钨碲化物（WTe?），揭示了其在磁子自旋传输中的独特作用。WTe?不仅能够通过传统自旋霍尔效应（SHE）实现平面内磁子自旋的高效注入和检测，还能够通过非传统电荷-自旋转换机制，实现平面外磁子自旋的注入与检测。这一双重功能在传统电极材料如铂（Pt）或铁镍合金（Py）中难以实现，尤其是在无外加磁场的条件下。

为了验证这一特性，研究人员使用了一种绝缘的二维反铁磁材料——CrPS?作为磁子传输介质。CrPS?在平面外磁场作用下，会发生自旋翻转（spin-flop）相变，并在8T磁场下进入完全饱和的自旋对齐态。研究团队构建了一个混合非局域测量结构，通过在CrPS?上设置Pt和WTe?电极，实现了磁子自旋的注入与检测。实验发现，WTe?的电荷-自旋转换效率分别达到Pt电极的0.45倍和1.7倍，特别是在平面外磁子自旋的注入和检测方面表现突出。这表明WTe?能够作为一种新型的磁子自旋注入器和检测器，为研究磁子自旋在磁性相变中的行为提供了新的途径。

WTe?作为一种具有丰富物理特性的二维材料，其自旋输运特性受到广泛关注。该材料表现出极大的非饱和磁阻（MR），显著的热电效应，以及温度诱导的Lifshitz相变和外部压力下的超导性。由于其强自旋轨道耦合（SOC），WTe?被认为是拓扑Weyl半金属的候选材料，并且能够产生垂直于二维平面的反阻尼扭矩。这些特性使得WTe?在电荷-自旋转换方面展现出独特的优势。特别是在平面外电荷电流方向下，WTe?能够产生垂直于其界面的自旋极化，这种极化虽然在块体材料中被对称性所禁止，但在二维薄片中却能够被观察到，这可能是由于晶格对称性的破坏所导致。

在实验设计中，研究团队采用了一种非局域测量几何结构，使得电荷电流完全限定在平面内，并避免了局域电荷电流的干扰。这种设计不仅有助于研究电荷-自旋转换过程，还能够分离出由电荷电流引起的自旋信号和由热梯度引起的热电效应。通过调整外加磁场的方向（平面内和平面外），研究人员能够观察到磁子自旋极化方向的变化，并利用这些变化来分析WTe?在磁子自旋注入和检测中的角色。例如，在平面外磁场旋转时，观察到的最大非局域信号表明WTe?对垂直方向的磁子自旋具有较高的灵敏度。

研究团队还通过对比实验，验证了WTe?与Pt电极在磁子自旋注入效率上的差异。在相同条件下，WTe?的磁子自旋注入效率在平面外方向显著高于Pt。这种差异不仅体现在数值上，还表明WTe?能够更有效地在不同磁化状态下实现磁子自旋的传输。此外，实验中还观察到非局域信号随温度的变化趋势，特别是在低于CrPS?的奈尔温度（38 K）时，非局域信号显著增强。这一现象可能与磁子传输特性随温度的变化有关，也可能与WTe?本身的电荷-自旋转换机制存在温度依赖性。

为了进一步理解WTe?在磁子自旋传输中的作用，研究人员对电极结构进行了深入分析。通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析，发现CrPS?在空气中容易氧化，形成CrO?氧化层，而WTe?与CrO?之间会发生反应，生成TeO?层。这种氧化层可能影响磁子传输效率，但实验结果表明，磁子传输信号仍然存在，这说明即使存在氧化层，磁子输运仍具有一定的可行性。通过界面工程优化，有望减少氧化和非晶界面的形成，从而进一步提升磁子传输效率。

实验还揭示了WTe?在不同磁化方向下的自旋传输特性。当电荷电流沿晶格a轴方向时，WTe?表现出对平面外磁子自旋的高灵敏度，这与传统电极材料Pt仅对平面内磁子自旋敏感形成鲜明对比。此外，通过调整电荷电流方向和磁场方向，研究人员能够区分出不同自旋极化贡献，并观察到非局域信号中的角度相位偏移。这一角度偏移是由于电荷-自旋转换过程的存在，能够帮助研究者识别和量化磁子自旋的极化方向。

在研究中，还发现WTe?的自旋注入效率不仅依赖于其自身的电荷-自旋转换能力，还受到界面处自旋混合电导率的影响。通过测量非局域电阻的调制幅度，研究人员能够估算出WTe?的电荷-自旋转换效率，并与Pt电极进行比较。结果表明，WTe?在平面外磁子自旋注入方面的效率远高于Pt，这为其在二维磁子器件中的应用提供了有力支持。此外，WTe?的高自旋透明性使得其能够作为非磁性电极材料，实现对磁子自旋的高效传输，从而为构建全二维磁子传输设备提供了新的思路。

本文的研究不仅揭示了WTe?在磁子自旋传输中的潜力，还为未来的磁子器件设计提供了理论和实验依据。通过利用WTe?的双重功能，研究者能够探索磁子自旋在不同磁化状态下的行为，特别是在磁子自旋翻转（spin-flop）相变过程中。此外，WTe?的高自旋透明性和非传统电荷-自旋转换机制，使其成为研究磁子霍尔效应等新型磁子现象的理想材料。这些发现为二维磁子器件的发展奠定了基础，同时也为探索新型自旋电子学器件提供了新的方向。

综上所述，本文通过实验和理论分析，展示了WTe?在磁子自旋注入和检测中的独特优势。WTe?不仅能够通过传统自旋霍尔效应实现平面内磁子自旋的高效传输，还能够通过非传统机制实现平面外磁子自旋的传输，这使得其在二维磁子器件中具有重要的应用前景。研究结果表明，WTe?在没有外加磁场的情况下，能够实现对磁子自旋的高灵敏度检测，这为其在低功耗、高效率的磁子传输系统中的应用提供了可能性。此外，通过界面优化，有望进一步提升磁子传输效率，从而推动二维磁子器件的发展。本文的研究不仅拓展了磁子自旋传输的理论框架，也为实际应用提供了新的思路和实验支持。