随着信息技术的不断发展，在自旋电子学领域，自旋轨道力矩因其可实现非易失性、快速响应的磁化翻转，在下一代磁存储技术中占据核心地位。另一方面，垂直磁各向异性材料是当前设计高存储密度、强稳定性、小尺寸的磁存储器件的最优选择之一。在自旋电子学中，如何有效调控该类材料是近年来研究的重点和难点。当前一个重要的思路是通过线性自旋霍尔效应在强自旋轨道耦合材料中产生垂直极化的自旋流，该自旋流注入垂直磁各向异性材料可用于操控后者的磁化。要实现有效的、无外磁场的磁化翻转，关键在于产生共线极化的自旋流（collinearly polarized spin current, CPSC），即自旋极化方向与自旋流方向一致。而CPSC的产生通常需要具有较低对称性的自旋霍尔材料，现有方案主要是基于界面工程或引入非共线磁结构来降低对称性。

       近期，复旦大学理论物理与信息科学交叉学科中心肖聪青年研究员、新加坡南洋理工大学高炜博教授和澳门大学杨声远教授带领的合作研究团队建立了内禀非线性自旋霍尔效应的系统理论框架，提出用非线性效应在高对称性材料体系中产生CPSC的新思路。非线性效应在线性自旋霍尔响应完全被对称性禁止的体系中也能产CPSC，且无需界面工程或磁序来降低对称性。研究指出，非线性自旋霍尔效应可在全部21类非中心对称点群中的19类中引起CPSC响应。尤其在包括D_3h, T, O等9类材料中，非线性响应成为主导贡献，有望大大拓宽可用于垂直磁各向异性调控的自旋霍尔材料平台。这些材料类别包含许多拓扑材料体系，从而为非磁性拓扑材料在自旋电子学中的应用提供了一个可能的新平台。研究团队系统分析了这些点群中允许的CPSC张量分量，为寻找合适材料提供了理论指导。

       在物理机制上，内禀非线性自旋霍尔效应由材料自身的能带结构决定，是不依赖于散射机制的“内禀”响应。它起源于电子能带几何性质如Berry联络极化率及其自旋对应，可通过拓扑能带结构得到显著增强。结合第一性原理计算，团队在拓扑金属PbTaSe₂中预测了强烈的内禀非线性自旋霍尔响应，其自旋霍尔角在室温下可达0.11，与已知线性CPSC最高效率相当。该响应可通过调节电流注入角度灵活切换，适用于无外场控制磁化方向。

       该成果以“Intrinsic Nonlinear Spin Hall Effect and Manipulation of Perpendicular Magnetization”为题 ，发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 134, 056301，(2025)）。复旦大学肖聪青年研究员与新加坡南洋理工大学高炜博教授为通讯作者，南洋理工大学王慧博士、北京航空航天大学刘慧颖副教授和新加坡科技设计大学博士研究生冯旭坤为共同第一作者，主要合作者还包括澳门大学杨声远教授、山东大学吴维康教授和澳门大学赖屾助理教授。

图：（a）自旋轨道力矩器件结构示意图。在非磁材料中施加水平方向的电荷流，通过非线性自旋霍尔效应产生共线极化的自旋流，注入上方垂直磁化的磁性材料中，实现磁化调控。（b,c）通过调节电荷流注入角度可调控自旋霍尔流方向。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.056301