超低电流密度单层磁性 Weyl 半金属自旋霍尔纳米振荡器

拓扑量子材料可表现出非常规表面态和异常输运性质。然而，其在自旋电子器件中的应用受到限制，因为这需要生长具有类块体性质的高质量薄膜。在此，我们研究了厚度为 10–30 nm、具有高结构有序度以及极高异常霍尔电导率 $\sigma_{\rm xy}=1.35\times10^{5}$ $\Omega^{-1} m^{-1}$ 和异常霍尔角 $\theta_{\rm H}=15.8\%$ 的外延铁磁性 Co$_{\rm 2}$MnGa 薄膜，二者均与块体值相当。我们观察到 Gilbert 阻尼常数存在两倍量级的强烈晶体取向依赖性，以及巨大的本征自旋霍尔电导率 $\mathit{\sigma_{\rm SHC}}=(6.08\pm 0.02)\times 10^{5}$ ($\hbar/2e$) $\Omega^{-1} m^{-1}$，比文献中多层 Co$_{\rm 2}$MnGa 堆叠 [1-3] 及单层 Ni、Co、Fe [4] 和 Ni$_{\rm 80}$Fe$_{\rm 20}$~[4,5] 的值高一个数量级。因此，我们首次在 30 nm 厚磁性薄膜中观察到自旋轨道转矩驱动的自振荡，其超低阈值电流密度为 $J_{th}=6.2\times10^{11}$ $Am^{-2}$。源于强 Berry 曲率的本征自旋霍尔电导率的理论计算证实了上述结果，并给出与实验相当的数值。我们的结果为基于单层磁性拓扑量子材料的自旋电子器件设计开辟了道路。