量子度量非线性自旋轨道力矩的拓扑能带增强效应及其在自旋电子器件中的应用

研究人员针对中心对称磁性材料中线性自旋响应被禁止的难题，通过揭示量子度量(quantum metric)在非线性电自旋响应中的关键作用，提出了量子度量自旋轨道力矩(QMT)新机制。研究发现拓扑金属中能带(反)交叉可显著增强量子度量，在CrSBr等材料中QMT强度超越传统线性力矩一个数量级，首次证明非线性响应可独立驱动磁翻转，为全电控自旋器件设计开辟了新路径。

　　

在自旋电子学领域，电流诱导的自旋极化是实现磁化电控的核心效应。然而传统线性自旋响应在中心对称体系中受到严格限制，迫使研究者不得不采用低对称性磁体或复杂异质结构。近年来，非线性自旋响应（响应信号与电场平方E²
成正比）的发现为突破这一限制带来了曙光，但两大关键问题悬而未决：非线性力矩能否独立实现磁翻转？何种材料能最大化该效应？

针对这些挑战，中国的研究团队在《Materials Today Quantum》发表重要研究，通过建立量子几何与非线性自旋电子学的联系，揭示了量子度量在扩展参数空间中的主导作用。研究结合磁性Kane-Mele模型和第一性原理计算，发现CrSBr等拓扑金属中能带交叉形成的"热点"可将量子度量非线性力矩(QMT)增强至传统线性力矩的10倍以上，首次证明10⁶
-10⁷
A/cm²
的中等电流密度即可实现磁翻转。

研究主要采用三种关键技术：1）量子几何张量理论框架构建，通过Berry联络极化率(BCP)张量解析量子度量贡献；2）磁性Kane-Mele模型计算，模拟节点环能带结构；3）基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算，分析CrSBr电子结构及量子度量分布。

量子度量与非线性自旋响应
研究团队发现量子度量g_ab
ⁿ
作为量子几何张量的实部，在能带(反)交叉处呈现1/(Δε)²
量级的增强。通过将BCP张量分解为量子度量项和远程能带项，证明在CrSBr中前者贡献占比超过95%。理论推导显示，二能带模型中G_ab
ⁿ
=2g_ab
ⁿ
/(ε_n
-ε_n?
)的关系使节点线附近产生巨大响应。

磁性Kane-Mele模型
在模拟的磁性节点环半金属中，研究观察到g_xy
分量沿节点环集中分布。当化学势μ接近节点环能量(-0.23eV)时，α_xxy
^QM
出现显著峰值，与完整计算结果误差小于2%，验证了量子度量的主导地位。

二维CrSBr应用
DFT计算显示单层CrSBr存在受C_2y
对称性保护的Weyl点和节点线。在μ=-0.23eV处（对应节点线能量），QMT产生3.2×10^-4
μ_B
/nm³
的自旋极化，比(Ga,Mn)As的线性响应高3-6个数量级。电流密度5×10⁷
A/cm²
时可产生4.3T有效场，远超CrSBr的磁各向异性场(1-2T)。

研究结论指出，量子度量非线性力矩机制从根本上改变了传统自旋轨道力矩依赖对称性破缺的范式。通过利用拓扑能带结构增强量子度量，该工作不仅为探测量子度量提供了新方法，更将自旋电子器件设计从"对称性工程"推进到"能带工程"新阶段。特别值得注意的是，CrSBr中QMT的阻尼型扭矩特性使其实际所需克服的有效各向异性场降低至10-20mT（假设吉尔伯特阻尼η=0.01），这为低功耗自旋器件开发奠定了理论基础。

这项研究开辟了非线性自旋电子学与拓扑量子材料交叉的新方向，未来通过设计多节点线集中分布的能带结构，有望进一步优化量子度量响应，推动全电控磁存储器件的实用化进程。