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【导语】拓扑自旋构型因其独特的物理特性和在自旋电子器件中的潜在应用，近年来备受瞩目。其中，拓扑霍尔效应作为识别拓扑磁结构的关键指标，对磁拓扑态的探测具有重要意义。近日，中国科学院物理研究所与北京科技大学的研究团队合作，在超晶格结构薄膜中实现了稳定而强烈的拓扑霍尔效应。通过原子尺度的晶格调控，研究团队有效增强了Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，揭示了晶格畸变与拓扑输运之间的深层关联。这一发现为发展高密度、低功耗的磁存储与逻辑器件提供了新材料设计思路，展示了氧化物异质集成在拓扑电子学与自旋电子学中的广阔前景。相关研究成果已发表在《Advanced Functional Materials》上。

拓扑自旋构型因其独特的物理性质和在新一代自旋电子器件中的广阔应用前景，近年来受到广泛关注。此类自旋构型通常出现在破缺反演对称性的材料体系中，并依赖于增强的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）。拓扑霍尔效应（Topological Hall Effect,THE）作为与非共线自旋构型密切相关的重要物理现象，可通过实空间贝里相位诱导的等效磁场产生额外霍尔电阻，是识别拓扑磁结构的重要指标。由于直接观测纳米尺度拓扑畴结构存在较大挑战，THE 的出现也被视为间接探测磁拓扑态的关键手段。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心与北京科技大学的研究团队合作，设计并制备出一种具有可控氧八面体畸变的超晶格结构薄膜。研究团队通过原子尺度的晶格调控，有效调节了磁交换作用和 DMI，实现了在 10–100K温区、16–40nm厚度范围内稳定而强烈的拓扑霍尔效应。该团队在SrTiO₃ 衬底上制备了一系列 (DyScO₃)ₙ/(SrRuO₃)ₙ（DnSn）超晶格，利用脉冲激光沉积技术实现了单原胞层级的厚度控制。对超晶格的结构与输运性质测量结果表明，THE对层间厚度极为敏感：当n<5时，霍尔电阻率曲线呈现(xiàn)典(diǎn)型(xíng)双(shuāng)峰(fēng)特征，指示出拓扑霍尔效应的存在；而n>5时该特征消失，仅保留反常霍尔效应的贡献。更为关键的是，透射电镜图像分析表明，在n<5的样品中，RuO₆八面体相较于块体材料呈现出更大的倾斜角，并伴随中心B位原子的垂直位移。这种原子尺度的畸变破坏了晶体对称性，显著增强DMI，从而诱导出强THE。此外，团队还在 KTaO₃衬底上外延生长了D₂S₂超晶格，进一步证实层间厚度与双轴应变在调控 THE 中的关键作用。该研究表明，在压缩应变条件下，合理调控层间厚度（2–5单胞）可实现高密度、稳定且非易失性的拓扑磁结构。这一发现不仅揭示了晶格畸变与拓扑输运之间的深层关联，也为非手性磁体中磁拓扑态的可控构筑提供了新思路。研究成果为发展高密度、低功耗的磁存储与逻辑器件开辟了材料设计新路径，并展(zhǎn)示(shì)了(le)氧(yǎng)化(huà)物(wù)异(yì)质(zhì)集成(chéng)在(zài)拓(tà)扑(pū)电(diàn)子(zi)学(xué)与(yǔ)自(zì)旋(xuán)电(diàn)子(zi)学(xué)中(zhōng)的(de)广(guǎng)阔(kuò)应(yīng)用(yòng)前(qián)景(jǐng)。

该(gāi)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)以(yǐ)“Designing Optimal Distorted-Octahedra Superlattices for Strong Topological Hall Effect”为(wèi)题(tí)，于(yú)2025年(nián)5月(yuè)28日(rì)发(fā)表(biǎo)在(zài)《Advanced Functional Materials》上(shàng)。北(běi)京(jīng)科(kē)技(jì)大(dà)学(xué)联(lián)培博士生范艺严与中国科学院物理研究所张庆华副研究员为共同第一作者，金奎娟院士、陈骏教授、郭尔佳研究员为共同通讯作者。合作者还包括中国科学技术大学王凌(líng)飞(fēi)教(jiào)授(shòu)、北(běi)京(jīng)科(kē)技(jì)大(dà)学(xué)邓(dèng)世(shì)清(qīng)教(jiào)授(shòu)等(děng)。该(gāi)工(gōng)作(zuò)获(huò)得(de)国(guó)家(jiā)自(zì)然(rán)科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金及中国科学院等项目资助。