單向自旋霍爾磁電阻效應（USMR）的反對稱性對于研發磁性隨機存儲器（MRAM）具有重要意義。然而，傳統體系在室溫下的USMR效應較弱，導致信噪比低，限制了其實際應用的可靠性和有效性，因此亟需突破這一挑戰。

近日，蘭州大學物理學院薛德勝教授和席力教授課題組在FeNi/Pt/Bi2Se3異質結構中，實現了室溫下USMR的顯著增強，并基于此開發了高性能的USMR-MRAM器件。研究成果以“Large unidirectional spin Hall magnetoresistance in FeNi/Pt/Bi2Se3 trilayers by Pt interfacial engineering”為題發表于《自然通訊》。

通過系統評估不同Pt厚度下的自旋軌道轉矩（SOT）效率、自旋霍爾磁電阻和USMR比率，發現當Pt厚度約為1.5納米時，室溫下的USMR比率達到最優，較之前報道的值提高了一個數量級，達到了30.6 ppm/MA/cm²。這一顯著增強的USMR效應得益于Pt的引入，它不僅保留了Bi2Se3的拓撲表面態，還產生了額外的Rashba表面態，同時增強了電子-磁子散射。這些發現得到了第一性原理計算和布里淵光散射實驗的支持。

圖1：（a）插入Pt層后拓撲表面態和Rashba表面態的示意圖，(b) 展示了利用脈沖電流產生的y方向極化的自旋累積σ以及隨后產生的自旋軌道力矩（左圖）使MRAM器件的磁矩M沿y方向的寫入過程，以及通過施加交流電檢測二次諧波電壓的讀取過程（右圖），(c) 不同體系中室溫下USMR效應的比較。

利用顯著的USMR效應，作者成功研制出一款雙端口MRAM器件，該器件展現出低能耗、納秒級快速寫入以及高信噪比的優異讀取特性。尤為突出的是，USMR-MRAM器件在高達70°C的溫度下仍能維持卓越性能，彰顯了其在廣泛環境條件下的高度可靠性和應用潛力。高質量Bi?Se?拓撲絕緣體薄膜的磁控濺射制備方法和雙端口設計，確保了與現有大規模三端口SOT-MRAM生產工藝的兼容性和優越性。

蘭州大學物理學院薛德勝教授和席力教授為該論文的通訊作者，2023級博士生張其為該論文的第一作者。論文合作者包括蘭州大學陶琨副教授、賈成龍教授、徐國福博士生、柴國志教授、崔寶山青年研究員、左亞路副教授和楊德政教授。該研究工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金重大研究計劃重點項目、”111”計劃和甘肅省自然科學基金的資助。