在国家自然科学基金项目（批准号：52025024、52250418、52388201）等资助下，清华大学集成电路学院南天翔团队与合作者在金属型PtCoO₂薄膜中，发现局域极性纳米微区能够在保持材料高导电性的同时显著增强电荷—自旋转换效率，为低功耗自旋电子器件提供了新的材料设计思路。相关研究成果以“金属型PtCoO₂中极性纳米微区诱导的大自旋霍尔电导率（Polar Nano-Regions Enable Large Spin Hall Conductivity in Metallic PtCoO₂）”为题，于2026年6月12日在《自然材料》（Nature Materials）期刊上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02640-4。

　　自旋电子器件通过电子自旋角动量流（自旋流）实现对磁矩的操控，是后摩尔时代低功耗存储与计算的重要技术方向之一。在自旋源材料中，电流通过自旋霍尔、Rashba等效应产生自旋流。理想的自旋源材料需同时具备高电荷—自旋转换效率和低电阻率，然而，二者往往难以兼顾。如何突破电荷—自旋转换效率与电阻损耗之间的倒置耦合关系，是推动自旋轨道矩磁随机存储器（SOT-MRAM）等新型自旋电子器件走向应用亟待解决的关键问题。

　　针对上述问题，研究团队提出了一种提升电荷—自旋转换效率的新策略：在高度导电的层状金属中引入局域电极化，从而打破晶格空间反演对称性并增强自旋流产生效率。该思路基于空间反演对称性与自旋—轨道耦合之间的紧密关联，通过打破反演对称性改变5d材料的电子结构，为增强电荷—自旋转换提供新的物理途径。

　　研究团队聚焦于一类特殊的准二维金属——铜铁矿（delafossite）型层状氧化物。以铂钴氧化物PtCoO₂为例，该材料由高导电性Pt原子层与绝缘CoO₂层交替堆叠而成。传统的金属中自由载流子会屏蔽极性结构，因此金属性和极性往往难以共存。而在这种层状结构中，电荷主要在Pt层实现面内高效输运，而CoO₂层可以容纳面外电极化。团队分别生长了极性PtCoO₂和非极性PtCoO₂两种薄膜，自旋轨道矩实验测试结果证明，与非极性PtCoO₂相比，极性PtCoO₂的电荷—自旋转换效率提高超过30倍。极性PtCoO₂同时兼具低电阻率和高电荷—自旋转换效率，实现了高达1.6×10⁷ ℏ/2e (Ω·m)^-1 的自旋霍尔电导率，该值高于已报道的多种代表性自旋源材料。

　　未来，可通过进一步调控极性纳米微区的密度、取向和空间分布，并将对称性工程策略推广至其他高导电层状金属，有望发现更多低损耗、高效率的新型自旋源材料。

图 极性PtCoO₂中极性位移的表征及其与非极性PtCoO₂的电荷—自旋转换效率对比