电场调控Bi2Se3自旋霍尔角。(a) 器件结构示意图 ，(b) Bi2Se3自旋霍尔角随外加电场的变化关系， (c) 0.5%双轴应变下Bi2Se3能带结构与动量空间中的自旋贝里曲率分布， (d) 0.5%双轴应变下Bi2Se3自旋霍尔电导随电荷掺杂的变化关系。论文作者供图
通过自旋轨道矩(SOT)实现电流驱动磁化翻转的方法，具有响应快、功耗低、高稳定性等天然优势，是开发下一代自旋存储和逻辑器件的重要基础。基于这一原理设计的自旋轨道矩磁随机存储器(SOT-MRAM)有望成为新一代超高性能非易失性存储器，具有广阔的应用前景。
在自旋轨道矩磁随机存储器中，电流流经具有强自旋轨道耦合的非磁性材料并转化为自旋流注入临近的铁磁层中实现磁化翻转。自旋霍尔角作为衡量电荷流与自旋流转化效率的关键参数，直接影响到整个存储器件的性能与功耗表现。因此，寻找具有强自旋轨道耦合与高自旋霍尔角的材料，是构建低功耗自旋转矩器件的核心诉求。
针对上述科学问题，西安交通大学电信学部刘明教授团队在PMN-PT衬底上构建了Bi2Se3/NiFe结构的霍尔器件。通过在衬底上原位施加纵向电场对Bi2Se3自旋霍尔角进行调控，调控效果具有良好的稳定性与可回复性，最高实现了Bi2Se3自旋霍尔角600%的增强。
该研究者们通过设计对照实验表明：对Bi2Se3自旋霍尔角大范围调控与增强的机理源自铁电衬底的电致应力与极化翻转所带来的表面电荷掺杂的双重作用。第一性原理计算表明应力与电荷掺杂可以显著改变Bi2Se3费米能级处的贝里曲率，进而对自旋霍尔角产生有效调控。
学科相关专家认为：该工作对自旋霍尔角的大范围调控与增强可有效降低SOT-MRAM器件中磁化翻转所需的临界电流，在设计低功耗与可调谐自旋电子器件中具有重要意义。
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