北京大学物理学院廖志敏团队在拓扑半金属自旋量子态调控中取得重要进展

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所廖志敏教授、王安琦特聘副研究员与合作者在电调控自旋极化领域取得重要进展。研究团队创新性地提出并实现了一种基于表面工程的自旋调控方案：通过在拓扑半金属Cd₃As₂表面引入金原子，成功实现了自旋极化电流的场效应开关，并观测到栅压可调的双线性磁电阻效应。2026年1月20日，该项研究成果以《拓扑半金属中栅极可调的自旋开关效应与双线性磁电阻》（“Gate-Tunable Spin Switching Effect and Bilinear Magnetoelectric Resistance in the Topological Semimetal”）为题，在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

拓扑材料因其独特的电子能带结构而备受关注，其表面存在受拓扑保护的表面态，具有自旋-动量锁定特性和极高的电荷–自旋转换效率，被认为是发展新一代高性能自旋电子器件的理想材料体系。然而，在拓扑材料中实现有效的自旋极化场效应开关仍面临诸多挑战。当费米能级从导带调至价带时，由于载流子速度反向与自旋螺旋性反转相互抵消，拓扑表面态所产生的电流诱导自旋极化方向并不会发生切换。此外，拓扑表面态本身较低的态密度限制了“开态”下的自旋电流密度，导致器件的自旋开关比极低。如何突破这些内在限制、实现高自旋开关比的场效应调控，一直是自旋电子学领域亟待解决的问题。

针对上述瓶颈，研究团队创新性地在拓扑半金属Cd₃As₂纳米片表面引入金原子进行修饰，在保留本征拓扑表面态的同时，成功诱导产生了Rashba自旋劈裂态。新引入的Rashba态与内禀拓扑表面态协同作用，使体系中的主导自旋纹理（spin texture）能够在栅极电压调控下实现可控切换，从而实现了自旋极化电流的场效应开关。研究表明，Rashba自旋态的引入显著增强了自旋极化信号，在导带区域表现尤为突出，使器件实现了高达72000%的自旋极化电流开关比，展现出高效的场效应自旋开关性能。此外，新出现的Rashba自旋态还引发了显著的双线性磁电阻效应，该效应在电子区与空穴区之间发生符号反转。这项工作提出了一种切实可行的拓扑材料表面工程策略，为在拓扑体系中实现高性能自旋场效应晶体管提供了新思路，有望推动自旋电子学领域的进一步发展。

（a）拓扑表面态与Rashba自旋劈裂态的能带结构示意图；（b）Cd₃As₂纳米片中自旋极化电流的场效应开关行为

王安琦为论文第一作者，廖志敏与王安琦为论文共同通讯作者。合作者还包括荷兰屯特大学李川教授、Alexander Brinkman教授以及北京大学电子显微镜实验室朱瑞高级工程师和杨旭东工程师。

研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项等项目的资助，并获得了北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室及电子显微镜实验室的大力支持。