突破界面局限：(111) SrRuO?薄膜中涌現手性自旋晶體相 | 進展

作為4d過渡金屬氧化物的典型代表，鈣鈦礦結構的SrRuO?因具有巡游鐵磁性、強自旋-軌道耦合以及非平庸的拓撲屬性，已成為探索關聯物理和新型自旋電子學器件的理想平臺。長期以來，該領域的研究主要聚焦于(001)取向薄膜：一方面，通過界面工程引入外在Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，以誘導斯格明子（Skyrmions）等非共面拓撲磁結構；另一方面，利用應力工程調控晶格畸變與能帶雜化，操縱動量空間的貝里曲率（Berry curvature），進而實現對反常霍爾效應的調制。然而，這種依賴界面的非共面磁態往往極其脆弱，僅能存在于極少數原胞厚度的極薄層中。相比之下，沿(111)取向生長的鈣鈦礦薄膜天然呈現出獨特的類蜂窩狀（Buckled honeycomb）晶格對稱性，這一特殊的幾何構型為內稟地激發并探索新型關聯拓撲物態開辟了全新視角。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SF06課題組劉笑然特聘研究員與郭建東研究員聯合SC03課題組邱祥岡研究員團隊，圍繞(111)取向SrRuO?薄膜開展了系統深入的研究。輸運測量表明，在居里溫度（約152 K）以下，體系展現出顯著且魯棒的拓撲霍爾效應，給出了非共面拓撲磁結構存在的強烈宏觀輸運證據。更進一步，團隊利用低溫磁力顯微鏡，在實空間直觀捕捉到了伴隨該效應產生的周期性磁條紋疇結構。通過傅里葉變換分析，確認這是一種沿兩個正交方向傳播的“雙Q（Double-Q）”型自旋調制態。其物理圖像可精確描述為兩個正交擺線型自旋螺旋的量子疊加，這正是手性自旋晶體相的核心特征。結合蒙特卡洛微磁學模擬最終揭示，這種奇異的手性態純粹由(111)晶格幾何內稟的磁阻挫與偶極相互作用的精妙平衡所驅動。

這項工作實現了從“外在誘導”到“內稟激發”的機制轉變，成功將SrRuO?中拓撲磁結構的穩定存在條件，從傳統的幾個單胞（極薄極限）大幅拓展至厚度約20 nm的薄膜體系，突破了“SrRuO?體系拓撲磁結構必須依賴極薄厚度或異質結界面效應”的傳統認知局限。該發現不僅為在鈣鈦礦氧化物薄膜中創建與精準調控非共面拓撲磁結構開辟了一條全新的潛在路徑，更為未來新型自旋電子學器件的設計與開發提供了堅實的材料基礎與理論支撐。

該研究成果以“Emergent Chiral Spin Crystal Phase in (111) SrRuO? Thin Films”為題，近期發表于ACS Nano期刊 [ACS Nano, 2026, 20(1): 603-611]。中國科學院物理研究所SF06組博士生丁兆晴為該論文第一作者；劉笑然特聘研究員、邱祥岡研究員、郭建東研究員為共同通訊作者。此外，SC03組謝永節博士在低溫磁力顯微鏡實驗方面提供了重要支持，SF08組張堅地研究員在晶體結構與理論指導方面給予了幫助。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金及中國科學院戰略性先導科技專項的資助。

圖：由偶極作用與磁阻挫下形成的自旋晶體相

編輯：朗道都說妙

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