RuO₂中轨道和自旋霍尔效应的共存与可调性
材料科学
2026-05-13 v2
摘要
交变磁性材料，特别是RuO₂，因其独特的磁性和节能自旋电子学应用而备受关注。然而，最近的实验研究报告了关于RuO₂中交变磁自旋分裂和电荷-自旋相互转换(CSI)的高度矛盾信号。虽然一些实验将高效的CSI归因于非相对论性的交变磁自旋分裂效应，但其他实验在非自旋分裂的RuO₂中观察到了大的CSI信号，这些信号反而被解释为相对论性的逆自旋霍尔效应。在这项工作中，基于第一性原理计算，我们揭示了这些有争议的实验结果源于RuO₂中轨道霍尔效应(OHE)和自旋霍尔效应(SHE)的相依赖共存和相对主导性。我们系统地研究了RuO₂在交变磁相和非磁相中的OHE和SHE。我们的结果表明，交变磁态中存在巨大的OHE，其强度超过SHE两个数量级且符号相反。这种主导的OHE可以通过轨道-自旋转换产生实验观察到的“类SHE”电压，解释了先前报道的交变磁CSI信号。相比之下，非磁性RuO₂中的OHE被抑制，而出现了大的相对论性SHE，这与最近的角分辨光电子能谱和自旋泵浦实验一致。最后，我们证明了OHE和SHE的共存可通过化学掺杂进行调控，从而实现对RuO₂中CSI的按需调制。我们的工作为理解RuO₂中的CSI提供了新的物理机制，并强调了轨道输运的核心作用。
引用
@article{arxiv.2507.21480,
title = {Coexistence and tunability of orbital and spin Hall effects in RuO$_2$},
author = {Lishu Zhang and Mahmoud Zeer and Dongwook Go and Theodoros Adamantopoulos and Peter Schmitz and Stefan Blügel and Chengwang Niu and Yuriy Mokrousov and Shishen Yan and Hyunsoo Yang and Lei Shen},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.21480},
year = {2026}
}