突破界面局限：(111) SrRuO₃薄膜中涌现手性自旋晶体相 | 进展

作为4d过渡金属氧化物的典型代表，钙钛矿结构的SrRuO₃因具有巡游铁磁性、强自旋-轨道耦合以及非平庸的拓扑属性，已成为探索关联物理和新型自旋电子学器件的理想平台。长期以来，该领域的研究主要聚焦于(001)取向薄膜：一方面，通过界面工程引入外在Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，以诱导斯格明子（Skyrmions）等非共面拓扑磁结构；另一方面，利用应力工程调控晶格畸变与能带杂化，操纵动量空间的贝里曲率（Berry curvature），进而实现对反常霍尔效应的调制。然而，这种依赖界面的非共面磁态往往极其脆弱，仅能存在于极少数原胞厚度的极薄层中。相比之下，沿(111)取向生长的钙钛矿薄膜天然呈现出独特的类蜂窝状（Buckled honeycomb）晶格对称性，这一特殊的几何构型为内禀地激发并探索新型关联拓扑物态开辟了全新视角。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF06课题组刘笑然特聘研究员与郭建东研究员联合SC03课题组邱祥冈研究员团队，围绕(111)取向SrRuO₃薄膜开展了系统深入的研究。输运测量表明，在居里温度（约152 K）以下，体系展现出显著且鲁棒的拓扑霍尔效应，给出了非共面拓扑磁结构存在的强烈宏观输运证据。更进一步，团队利用低温磁力显微镜，在实空间直观捕捉到了伴随该效应产生的周期性磁条纹畴结构。通过傅里叶变换分析，确认这是一种沿两个正交方向传播的“双Q（Double-Q）”型自旋调制态。其物理图像可精确描述为两个正交摆线型自旋螺旋的量子叠加，这正是手性自旋晶体相的核心特征。结合蒙特卡洛微磁学模拟最终揭示，这种奇异的手性态纯粹由(111)晶格几何内禀的磁阻挫与偶极相互作用的精妙平衡所驱动。

这项工作实现了从“外在诱导”到“内禀激发”的机制转变，成功将SrRuO₃中拓扑磁结构的稳定存在条件，从传统的几个单胞（极薄极限）大幅拓展至厚度约20 nm的薄膜体系，突破了“SrRuO₃体系拓扑磁结构必须依赖极薄厚度或异质结界面效应”的传统认知局限。该发现不仅为在钙钛矿氧化物薄膜中创建与精准调控非共面拓扑磁结构开辟了一条全新的潜在路径，更为未来新型自旋电子学器件的设计与开发提供了坚实的材料基础与理论支撑。

该研究成果以“Emergent Chiral Spin Crystal Phase in (111) SrRuO₃ Thin Films”为题，近期发表于ACS Nano期刊 [ACS Nano, 2026, 20(1): 603-611]。中国科学院物理研究所SF06组博士生丁兆晴为该论文第一作者；刘笑然特聘研究员、邱祥冈研究员、郭建东研究员为共同通讯作者。此外，SC03组谢永节博士在低温磁力显微镜实验方面提供了重要支持，SF08组张坚地研究员在晶体结构与理论指导方面给予了帮助。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及中国科学院战略性先导科技专项的资助。

图：由偶极作用与磁阻挫下形成的自旋晶体相

编辑：朗道都说妙

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号