拓撲自旋構型因其獨特的物理性質和在新一代自旋電子器件中的廣闊應用前景，近年來受到廣泛關注。此類自旋構型通常出現(xiàn)在破缺反演對稱性的材料體系中，并依賴于增強的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）。拓撲霍爾效應（Topological Hall Effect,THE）作為與非共線自旋構型密切相關的重要物理現(xiàn)象，可通過實空間貝里相位誘導的等效磁場產(chǎn)生額外霍爾電阻，是識別拓撲磁結構的重要指標。由于直接觀測納米尺度拓撲疇結構存在較大挑戰(zhàn)，THE 的出現(xiàn)也被視為間接探測磁拓撲態(tài)的關鍵手段。

圖.襯底雙軸應變對SrRuO3中拓撲霍爾效應的調(diào)控

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心與北京科技大學的研究團隊合作，設計并制備出一種具有可控氧八面體畸變的超晶格結構薄膜。研究團隊通過原子尺度的晶格調(diào)控，有效調(diào)節(jié)了磁交換作用和 DMI，實現(xiàn)了在 10–100K溫區(qū)、16–40nm厚度范圍內(nèi)穩(wěn)定而強烈的拓撲霍爾效應。該團隊在SrTiO3襯底上制備了一系列 (DyScO3)n/(SrRuO3)n（DnSn）超晶格，利用脈沖激光沉積技術實現(xiàn)了單原胞層級的厚度控制。對超晶格的結構與輸運性質測量結果表明，THE對層間厚度極為敏感：當n<5時，霍爾電阻率曲線呈現(xiàn)典型雙峰特征，指示出拓撲霍爾效應的存在；而n>5時該特征消失，僅保留反?；魻栃呢暙I。更為關鍵的是，透射電鏡圖像分析表明，在n<5的樣品中，RuO6八面體相較于塊體材料呈現(xiàn)出更大的傾斜角，并伴隨中心B位原子的垂直位移。這種原子尺度的畸變破壞了晶體對稱性，顯著增強DMI，從而誘導出強THE。此外，團隊還在 KTaO3襯底上外延生長了D2S2超晶格，進一步證實層間厚度與雙軸應變在調(diào)控 THE 中的關鍵作用。該研究表明，在壓縮應變條件下，合理調(diào)控層間厚度（2–5單胞）可實現(xiàn)高密度、穩(wěn)定且非易失性的拓撲磁結構。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了晶格畸變與拓撲輸運之間的深層關聯(lián)，也為非手性磁體中磁拓撲態(tài)的可控構筑提供了新思路。研究成果為發(fā)展高密度、低功耗的磁存儲與邏輯器件開辟了材料設計新路徑，并展示了氧化物異質集成在拓撲電子學與自旋電子學中的廣闊應用前景。

該研究成果以“Designing Optimal Distorted-Octahedra Superlattices for Strong Topological Hall Effect”為題，于2025年5月28日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。北京科技大學聯(lián)培博士生范藝嚴與中國科學院物理研究所張慶華副研究員為共同第一作者，金奎娟院士、陳駿教授、郭爾佳研究員為共同通訊作者。合作者還包括中國科學技術大學王凌飛教授、北京科技大學鄧世清教授等。該工作獲得國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金及中國科學院等項目資助。

編輯：小咕咕