物理与天文学院刘亮课题组与合作团队实现金属薄膜超强面外自旋流

　　

近日，上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所刘亮课题组与中国科学院合肥物质科学研究院邵定夫课题组合作，在新型自旋流效应与调控方面取得进展。研究团队提出了一种非共线自旋轨道过滤（noncollinear spin-orbit filtering）机制，并通过精准设计传统重金属铂（Pt）薄膜的界面晶体对称性，实现了超强面外极化自旋流。相关成果以“Ultrastrong Unconventional Spin Current via Noncollinear Spin-Orbit Filtering”为题，于2026年9月3日发表于 Physical Review X，并被美国物理学会旗下 Physics 选为 Synopsis 亮点报道。

研究介绍

高对称性限制下的自旋流难题

利用电荷流产生自旋流并驱动磁化翻转，为实现高速、低功耗的非易失信息存储提供了一条重要的技术路径。与电荷流不同，自旋流同时具有传播方向和自旋极化方向。超高密度磁存储中的磁比特通常具有垂直磁各向异性。为实现这类磁比特高效、确定性的电控翻转，一种理想的自旋流构型是沿垂直于薄膜表面的方向传播，同时具有沿同一方向的自旋极化，即“面外极化的面外自旋流”。

然而，在传统高对称重金属中，这种自旋流构型受到晶体对称性的基本限制，电荷流方向、自旋流传播方向和自旋极化方向相互正交。因此，当自旋流沿垂直薄膜表面的方向传播时，其自旋极化被限制在薄膜平面内，难以获得同时具有面外传播方向和面外自旋极化的自旋流。

从高对称体材料到低对称界面：

释放自旋极化自由度

针对这一问题，研究团队提出了一种从高对称体材料中构建低对称自旋界面的新思路。团队以具有高自旋电导率的传统重金属 Pt 为平台，通过精确选择晶面取向并实现高质量外延生长，在保持 Pt 体材料高对称性的同时，精准调控其界面晶体对称性，将原本受高对称性限制的自旋极化自由度释放出来，为产生面外极化的面外自旋流创造条件。

其背后的物理机制是研究团队提出的非共线自旋轨道过滤（noncollinear spin-orbit filtering）。在具有特定低对称性的 Pt 界面，自旋轨道耦合产生的 Rashba–Edelstein 有效场可以具有面外分量。当电子穿过界面时，其透射概率取决于电子自旋与局域有效场之间的相对取向，从而对不同自旋分量产生选择性过滤。这种非共线的自旋选择性透射使原本在高对称体系中相互抵消的面外自旋分量不再完全抵消，从而形成净面外自旋极化，并产生面外极化的面外自旋流。

美国物理学会旗下 Physics 以“A Quantum Filter for Improved Spintronics”为题对该工作进行了专题报道，指出通过精准设计 Pt 表面，可以实现与电子自旋方向相关的选择性透射，从而突破体 Pt 晶体对称性对宏观自旋极化的限制。

晶体对称性调控：面外极化自旋流的实验验证

研究团队通过系统调控 Pt 薄膜的晶面取向，对界面晶体对称性与非常规自旋流之间的关系进行了实验验证。团队制备了 Pt(010)、Pt(110)、Pt(210)、Pt(310) 和 Pt(410) 等不同取向的高质量外延薄膜，使其表面对称性由C4v、C2v调控至仅保留单一镜面对称面的C1v。实验结果显示，在高对称 Pt(010) 和 Pt(110) 中，面外自旋极化响应几乎可以忽略；而当界面对称性降低至C1v后，Pt(210)、Pt(310) 和 Pt(410) 均产生了显著的面外自旋极化。这一随晶体对称性系统演化的实验结果，直接建立了界面对称性与非常规自旋流之间的联系。面外自旋响应表现出与其C1v 对称性一致的显著一重角度依赖：改变电流相对于唯一镜面的方向，面外自旋响应及磁化翻转随之发生系统变化，并在对称性禁止的方向消失。这种与晶体镜面对称性严格对应的角度依赖，为面外极化的面外自旋流提供了清晰的实验指纹。

更重要的是，这种面外自旋极化能够有效驱动垂直磁化翻转。研究团队在低对称 Pt 器件中实现了无需外加磁场的确定性磁化翻转。

图1｜低对称界面诱导的非共线自旋轨道过滤机制。在高对称 Pt 界面中，不同自旋分量受到晶体对称性的约束，宏观上无法形成显著的面外自旋极化；在低对称 Pt(210) 界面中（图b），具有面外分量的 Rashba–Edelstein 有效场对不同自旋方向产生选择性过滤，使原本相互抵消的面外自旋分量不再完全抵消，形成强面外极化自旋流。图第二列展示了Pt(210)晶面在面心立方晶格结构中的位置、对称性以及STEM图。

图2｜晶体表面对称性控制无场磁化翻转。通过选择不同晶面，将 Pt 表面对称性从 C4v、C2v 调控至 C1v。高对称 Pt(010) 和 Pt(110) 中未观察到零场确定性翻转，而仅保留单一镜面对称性的 Pt(210)、Pt(310) 和 Pt(410) 均实现了垂直磁化的无外场翻转，建立了表面晶体对称性与非常规面外自旋流之间的直接联系。其自旋轨道力矩翻转效率随晶面取向显著变化，并在所研究的晶面中于 Pt(410) 达到最大值。

超强面外自旋流：非常规与传统自旋响应兼得

进一步的定量测量表明，界面晶体对称性不仅决定了面外自旋极化能否产生，还可以有效调控其强度。随着Pt晶面从(210)变化到(310)和(410)，面外电荷—自旋转换效率持续增强，而传统面内自旋转换效率基本保持稳定。Pt(410)中获得的面外自旋霍尔电导率达到0.75 × 10? (?/2e) Ω?1 m?1，在该工作所比较的体系中处于最高水平；与此同时，体系仍保持约1.8 × 10? (?/2e) Ω?1 m?1的强面内自旋霍尔电导率。这表明，通过晶体取向与界面设计，可以在保留Pt优异传统自旋输运性能的同时，引入一个原本受到体对称性限制的面外自旋极化通道。

图3｜晶面调控实现超强面外自旋流。随着 Pt 晶面从 (210) 变化至 (310) 和 (410)，面外电荷—自旋转换效率持续增强，而传统面内自旋转换基本保持稳定。

从材料发现走向界面设计

对称性是决定材料物理响应的基本原则。根据 Neumann 原理，材料的线性响应张量受到晶体对称性的严格约束，不同张量分量能否存在，取决于相应的晶体对称性。降低晶体对称性可以解除部分对称性约束，使原本被禁止的响应张量分量成为可能，这也是许多非常规输运和量子物理现象得以出现的重要基础。然而，许多具有优异输运性能、稳定性和器件兼容性的实用材料往往具有较高的体晶体对称性，其可利用的物理响应因此受到限制。本项研究表明，获得低对称性所允许的非常规物理响应，并不一定需要寻找本征低对称的新材料。通过在高对称材料表面构建低对称界面，同样可以解除特定响应通道的对称性限制，在保留体材料优良性质的同时，赋予其体晶体对称性原本不允许的物理响应。从这一角度看，界面不仅是连接不同材料的边界，也可以成为重新定义材料有效对称性和设计新型物理响应的自由度。这一思路有望从非常规自旋流进一步拓展至其他受对称性约束的输运和量子响应，为在传统高性能材料中实现新的物理功能提供一种普适的设计路径。

论文第一作者为上海交通大学物理与天文学院博士生陈红良和中国科学院合肥物质科学研究院王子安，通讯作者为上海交大物理与天文学院、李政道研究所刘亮和中国科学院合肥物质科学研究院邵定夫，上海交通大学为论文第一完成单位。本研究获得了上海交大物理与天文学院、李政道研究所贾金锋教授的悉心指导，并得到新加坡国立大学陈景升教授、山西师范大学周国伟教授、同济大学丘学鹏教授、上海科技大学杨雨梦研究员等国内外合作者的指导与支持。

研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委、上海量子科学研究中心、山西省科技合作交流专项、小米青年学者基金、阳阳发展基金等支持。

作者：

上海交大物理与天文学院

供稿单位：

物理与天文学院