電場控制氧化層薄膜中的反常和拓撲霍爾效應

日本理化學研究所（RIKEN）的研究人員們已經在Nature Communications雜誌上的一篇論文（"Electric-field control of anomalous and topological Hall effects in oxide bilayer thin films"）中表示，可以僅僅通過向一個合理設計的結構中施加電場，就可以實現對兩種可用於存儲或邏輯應用的磁性現象的控制。

霍爾效應是在1879年由埃德溫霍爾發現的，他認識到施加一個與電流成直角的磁場會使流動的電子向垂直於施加的磁場和電流的方向轉變，進而在該方向上產生一個電勢差。

在鐵磁材料中，即使不施加磁場也能發生霍爾效應；在這種情況下，它被稱為反常霍爾效應。此外，在某些特定材料中，局部磁矩將自身排列成穩定的類渦狀結構，這種結構被稱為斯格明子，而由斯格明子產生的虛擬磁場引起了類似的現象，這種類似現象稱為拓撲霍爾效應。由於某些材料中電子的自旋和軌道角動量之間的強耦合，會同時引起反常霍爾效應和拓撲霍爾效應。

圖1：研究中使用的結構之一的示意圖。電場（白色箭頭）調製自旋軌道耦合，這會影響反常霍爾效應和拓撲霍爾效應。（圖片來源：在CC BY 4.02018 Ohuchi等人授權下，改編自參考文獻1）

受最近觀察到的在由SrRuO3和SrIrO3構成的結構中發生的拓撲霍爾效應的啟發，RIKEN 突發事件科學中心的Jobu Matsuno和他的同事們研究了在由這些材料組成的異質結構中施加電場的效果。

「儘管反常霍爾效應和拓撲霍爾效應具有科學價值，但到目前為止還不可能控制它們，」 Matsuno說。「它們都是可以電子地進入設備內部的傳輸特性。」

該團隊製造了三種異質結構，其中一個鈦酸鍶（SrTiO3）作為襯底：一個非磁性SrIrO3層被鐵磁性SrRuO3覆蓋；第二個，這兩種材料倒置；第三個，未使用SrIrO3。

研究人員隨後在每個異質結構中施加垂直於層的電壓。在第一種結構的情況下，電壓明顯地影響了反常霍爾效應和拓撲霍爾效應（如圖1所示），而在另外兩種異質結構中沒有觀察到這種效果。

這種電場調製的起因尚不明確，但Matsuno和他的同事們有一些想法。「我們堅信，材料銥中電子的強自旋軌道耦合起著重要作用。」Matsuno說。

研究人員們認為，通過在鐵磁層和柵介質之間插入具有強自旋軌道耦合的材料薄層，可以控制其他磁特性，例如磁各向異性或磁疇壁運動。這些現象可能在一系列設備上具有潛在應用。

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