磁性单层金属中巨幅异常磁阻的物理起源与普适性两矢量模型研究

本研究为解决自旋电子学中异常磁阻(UMR)的物理起源争议，研究人员通过系统实验验证了"两矢量磁阻"理论的普适性。在CoPt等单层磁性金属中观测到高达10-3 量级的巨幅UMR效应，发现其符合cos2 β和cos4 β的高阶贡献规律及普适求和定则，证实UMR源于磁化矢量(m)与界面电场(n)的散射效应，无需涉及自旋电流机制。该成果为统一理解各类磁阻效应提供了新范式。

　　

在自旋电子学领域，异常磁阻(UMR)现象长期被视为自旋霍尔磁阻(SMR)的标志性特征，传统理论认为其源于自旋电流在磁界面的反射。然而，这种解释面临诸多挑战：不同材料体系的UMR幅度差异达三个数量级，某些无显著自旋霍尔效应(SHE)的系统仍表现出强UMR，且实验观测到与SMR理论预测不符的厚度依赖关系。这些矛盾促使科学家重新思考UMR的本质物理机制。

中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室与香港中文大学（深圳）的研究团队合作，通过精确设计的单层磁性金属实验，揭示了UMR的普适性物理起源。他们在《National Science Review》发表的研究表明，巨幅UMR效应实际上源于电子受磁化矢量(m)和界面电场(n)散射的两矢量机制，无需涉及自旋/轨道电流或晶体对称性。这一发现为统一理解各类磁阻效应提供了新框架。

研究采用磁控溅射制备了4-24 nm不同厚度的CoPt单层膜（Co_0.5
Pt_0.5
）及对称界面结构（MgO/CoPt/MgO和Hf/CoPt/Hf），通过霍尔棒器件在300K/3T条件下测量了α、β、γ三种角度扫描模式的磁阻响应。关键技术创新包括：利用弱自旋轨道耦合(SOC)的Hf界面排除自旋电流干扰，通过变厚度实验确认界面散射起源，采用高阶谐波分析解析cos²ⁿ
θ依赖关系。

巨幅异常磁阻
在SiO₂
/CoPt/MgO体系中观测到10^-3
量级的UMR效应，比典型Pt/YIG体系高1-2个数量级。角度依赖关系完美符合两矢量模型预测的ρ=ρ₀
+ΣΔρ_nθ
cos²ⁿ
θ表达式，不仅存在传统cos²
β的一阶贡献，还发现显著的cos⁴
β二阶贡献。

界面效应
通过对比不同界面结构的β扫描UMR，发现MgO/CoPt/MgO和Hf/CoPt/Hf的(Δρ₁
+Δρ₂
)/ρ₀
分别比SiO₂
/CoPt/MgO提高42%和125%，确证UMR的界面起源。更关键的是，α型与γ型UMR之和严格等于β型UMR，完美验证两矢量理论预言的求和定则ΣΔρ_nα
+ΣΔρ_nγ
=ΣΔρ_nβ
。

文献数据重审
对YIG/Ta、YIG/Pt等16个典型体系的重新分析显示：所有文献数据均存在被忽视的cos⁴
β高阶贡献；曾被归因于SMR、轨道霍尔磁阻等机制的实验数据，实际上都严格遵循两矢量模型的求和定则。例如Pt/YIG体系中UMR幅度与Pt厚度(d_Pt
)的正相关性，以及Au/Py/Au出现负号β型UMR等"反常"现象，均自然符合两矢量模型预期。

机制讨论
研究排除了三种主流替代解释：(1)自旋霍尔磁阻(SMR)无法解释UMR与自旋轨道扭矩(SOT)效率的脱钩现象；(2)"本征AMR"模型仅适用于特定晶格结构的CoFe单晶；(3)线性响应理论预测当ρ仅为m的函数时，不可能产生m_z
²
项贡献。而两矢量模型通过引入界面电场矢量n，成功解释了β型UMR的物理起源。

这项研究确立了UMR效应的普适性物理图像：它是磁性材料中电子受m和n联合散射的必然结果，与自旋电流无关。这一认识将分散的SMR、轨道霍尔磁阻等现象统一到两矢量框架下，解决了长期存在的实验与理论矛盾。特别值得注意的是，在8T强场(>>H_k
)和2K低温下，4nm CoPt的二阶UMR贡献仍保持显著，2.5nm Fe单层的cos⁴
β贡献甚至达cos²
β的10倍，这些发现为发展超越线性响应的新型磁阻理论提供了重要实验依据。该成果不仅革新了对基础磁阻机制的理解，也为自旋电子器件设计提供了更普适的理论指导。