正文
自旋霍尔效应首先由理论物理学家Mikhail Dyakonov 和Vladimir Perel 于1971 年提出，后来在2000 年左右由Jorge Hirsch 和张曙丰两位理论物理学家重新定义。实验上由Awschalom 课题组在2004 年首次证明自旋霍尔效应的存在，他们利用磁光克尔效应(Magneto-optic Kerr effect)观测到了在GaAs 二维电子气边界有自旋的积累，并证明是由于自旋霍尔效应引起的。之后的研究中，半导体GaAs、Ge、Si 和金属体系Al、Au、Pt、Ta等被证明存在着自旋霍尔效应，并且重金属中的自旋霍尔效应更加显著。
既然重金属中存在着自旋霍尔效应，那是否也存在由于此效应产生的SOT 呢？2011 年左右，Ralph 课题组研究了重金属Pt、Ta 和Beta-W 中的SOC 产生的自旋流施加力矩作用于相邻的铁磁层。如图3(a)所示，在铁磁CoFeB 和Ta 双层膜结构中，由于Ta 中的强SOC和自旋霍尔效应，流动于Ta 中的电流会产生竖直方向的自旋流，自旋流造成界面自旋积聚，积聚的自旋对相邻铁磁层产生力矩作用。如图3(b)所示，当电流密度达到一定阈值后，CoFeB 磁化方向发生反转， 从而观测到了CoFeB—MgO—CoFeB 这一MTJ低电阻态和高电阻态之间的转化。这一技术相对于传统的使用磁场控制磁性材料磁化方向的手段，效率更高、局域性更强。
图3 自旋轨道转矩物理机制：自旋霍尔效应(a—b)Ta 中自旋霍尔效应产生的自旋轨道转矩可以使磁矩发生反转；(c—e)Pt—FM界面自旋通过率对有效自旋轨道转矩起着重要作用。
除了以上提到的重金属中具有很大的自旋霍尔效应和SOT外，研究发现，杂质散射也可以大大增强本征SOC 很低的材料中的自旋霍尔效应。比如，Ir 和Bi 掺杂的Cu材料，就具有较强的自旋霍尔效应。
研究还表明界面效应对有效SOT 有很大影响。比如Parkin 课题组及其合作者证明在不同的磁性金属和Pt界面，由于自旋通过率不同，造成的有效SOT也不同，如图3(c)和(d)所示。自旋通过率——可以理解为界面积累的自旋转移到界面另一端的百分比，跟界面的spin-mixing 电导非常相关(界面自旋和磁矩角动量的转化效率)，如图3(e)所示。在界面上插入其他的金属层，可以影响界面的spin-mixing 电导，从而可以操控有效轨道转矩。
除了自旋霍尔效应以外，界面Rashba SOC效应同样可以实现自旋和电荷之间的转换。尽管表现形式上稍有不同，但它们本质上都是源于SOC。Rashba SOC根源上是电子所处环境的空间反转对称性破缺的相对论表现：无外磁场的情况下，一个在电场中运动的电子会在自己的本征坐标系内感受到一个等效磁场作用，等效磁场的方向和电子的动量方向相关，由此导致的能带结构就如图4(a)所示，这种能带意味着一定方向的动量对应着一定方向的自旋极化。基于这种能带结构，当有电子流动时，界面上电子的动量将在某个方向产生不平衡，由于动量方向和自旋极化方向高度相关，动量的不平衡必然导致自旋极化的不平衡， 从而产生自旋积累， 这种效应称作Rashba—Edelstein 效应， 或Edelstein 效应，整个过程如图4(b)所示。该过程与自旋霍尔效应有很多相似之处，比如，都是从电荷流转化成自旋流，都具有其相对的逆效应等。逆Edelstein 效应如图4(c)所示，自旋积聚(电子自旋极化方向的不平衡)同样会导致电流(电子动量的不平衡)的出现。不过，它们之间也具有很大的不同，如图2(b)和(c)所示，自旋霍尔效应是体效应，而Edelstein 效应发生在二维平面/界面内。并且，由于Edelstein 效应根源上来自于界面电子感受到的外电场，所以人们可以通过外加电压调节“外电场”的大小，进而人为调控Rashba 场的大小，实现调控Rashba 自旋轨道耦合的强度。这种自旋轨道耦合的可调控性，在自旋电子学和量子计算领域有着巨大的潜在应用价值，同时也为自旋器件的实现提供了更多的可能性。最近几年的研究主要集中在金属体系、复杂氧化物界面、二维材料以及拓扑绝缘体表面态中，在下文我们将会逐一介绍。
图4 自旋轨道转矩物理机制：Edelstein 效应(a)具有强Rashba 自旋轨道耦合体系的能量色散关系；(b)Edelstein 效应示意图：由于电荷电流产生自旋积累；(c)逆Edelstein效应示意图：由于自旋注入产生电荷电流；(d)Pt|Co|AlOx 界面的Edelstein 效应；(e)金属Ag|Bi 界面的自旋泵浦和逆Edelstein 效应。
3.1 金属体系
前面我们提到在空间反转对称性破缺的体系中，可以产生Edelstein 效应。该效应也可以用来实现对磁体磁化方向的电调控，并且已经在Pt|Co|AlO
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体系中被实验证明。如图4(d)所示，Co 层为铁磁层，其上表面的AlO
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层和下表面的Pt 层可以为Co 薄膜提供z 方向的较强电势差(提供了Rashba 场所要求的空间反转对称性破缺)。当有电流在Co 层流动时，k 空间中的电子分布将发生位移，变得关于原点不对称。由于自旋和轨道的耦合，动量分布的不平衡自然会导致自旋积累的不平衡，其净自旋极化方向垂直于电流方向。由于Co 中的s—d 交换相互作用，Co 中的传导电子和表现磁性的局域电子耦合在一起，从而传导电子的自旋积累间接地会对局域电子的磁矩有转矩作用，实现Co磁性反转。
2013 年，Fert 课题组在Ag|Bi 界面中发现逆Edelstein 效应。实验中的自旋流注入手段是自旋泵浦效应，指当NiFe 合金处于铁磁共振状态时，由于界面的角动量转换，在NiFe 合金中不断进动的磁矩使自旋流源源不断地注入Ag|Bi 界面。其器件示意图如图4(e)所示，由于Ag|Bi 界面处存在Rashba SOC， 自旋和动量是锁定在一起的。注入的自旋流使界面发生自旋积累，造成原本关于原点对称的自旋能带结构发生位移，自旋分布不再关于原点对称，如图4(c)所示，自旋分布上的不对称必然在电荷动量的层面上也展现出不对称。而动量分布上的不平衡等价于电子的集体运动表现出方向性，便产生了电流(自旋信号转化为了电信号，可以用常规的电学测量手段测得)。在Ag|Bi 界面测量得到的相比于Ag和Bi 中明显增强的电压信号，正是界面Rashba SOC所引起。该效应也通过其他方法或在其他类似体系(如Cu|Bi界面)中观测到。
