近日，内蒙古大学物理科学与技术学院、内蒙古自治区微尺度物理与原子制造重点实验室刘志锋、邢雁教授团队提出“自旋轴动力学锁定”（SADL）效应，为全电控高效自旋输运提供了新机制。相关成果以“Spin-Axis Dynamic Locking”为题，于10月1日发表于国际物理学权威期刊Physical Review Letters。内蒙古大学为论文第一署名单位和唯一通讯作者单位。

自旋电子学以电子自旋作为信息载体，高效产生和操控高自旋极化电流、实现电荷流向纯自旋流的高效转换，是其核心挑战。传统磁场调控难以适应纳米尺度集成需求，基于自旋轨道耦合的电学调控在转换效率等方面仍存在局限。交错磁体兼具强非相对论性自旋劈裂和零净磁矩，为全电控自旋输运提供了新平台，但现有效应的自旋极化率和转换效率仍高度依赖具体材料，亟需建立实现稳定、高效自旋输运的一般物理机制。

针对这一挑战，研究团队从二维各向异性d-波交错磁模型出发，发现独特的“帐篷态”能带结构。在经Lifshitz转变形成的开放费米线区间，晶体对称性与费米线的非零拓扑绕数共同将不同自旋的优势输运通道锁定到两个正交晶轴。同时，相反速度的电子态在动量空间彼此分离，使小动量、保持自旋的散射难以实现速度反转，从而使轴向自旋选择性具有动力学稳健性。

该效应可通过改变面内电场方向灵活调控：沿两个正交主晶轴施加电场，可分别产生自旋方向相反的高极化电流；沿晶体对角方向施加电场，两种自旋通道的横向电荷响应相互抵消、自旋响应相互叠加，形成横向纯自旋流。在理想准一维极限下，轴向自旋极化率和对角驱动下的电荷—自旋转换效率均可达到100%。

图1 “自旋轴动力学锁定”效应的物理机制与输运响应

通过高通量第一性原理计算，研究团队在二维和三维交错磁材料中验证了该机制。单层Cr2WSe4的自旋极化率和电荷—自旋转换效率均可达99.6%，在考虑自旋轨道耦合和实际散射机制的相关计算中仍保持在90%以上。计算还预测，已实验合成的(BaF)2Mn2Se2O同样可实现接近理想极限的高效自旋输运，为实验验证提供了现实材料平台。

这一成果为发展全电控、低功耗自旋电子器件提供了理论依据和候选材料。论文共同第一作者为内蒙古大学博士研究生吕志恒和陕西科技大学蔡江涛博士（内蒙古大学访问学者），刘志锋、邢雁教授为共同通讯作者。相关研究得到国家自然科学基金项目、内蒙古自治区杰出青年科学基金项目、内蒙古新时代专业技术人才选拔培养项目和内蒙古科技英才计划等支持。

原文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/6ypc-bbs7

（来源：科学技术处       编辑：武涛       审核：李文娟       终审：阿茹娜）