磁随机存储器（MRAM）利用磁化方向存储信息，兼具非易失性、高速度和高耐久性，是新一代信息存储的重要发展方向。其中，自旋-轨道力矩（SOT）利用强自旋轨道耦合材料高效产生自旋流，实现了读写解耦的磁矩操控，是推动MRAM向更低写入功耗、更高运行速度演进的核心技术。然而，现有SOT-MRAM仍需要较大的写入电流密度，不仅导致严重的焦耳发热，更限制了器件尺寸的进一步微缩与高密度集成，成为制约其发展的关键瓶颈。

针对这一瓶颈，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队长期致力于高效SOT材料与器件研究。团队依托原位超高真空脉冲激光沉积-角分辨光电子能谱（PLD-ARPES）联合系统，在金属氧化物体系中揭示了一系列可诱导高效SOT的新奇微观电子态，并发现了轨道流输运的反常标度规律，为大幅降低SOT器件功耗奠定了材料与物理基础（Nat. Mater. 2025,24,1749; Nat. Mater. 2016,15,835; PNAS 2014,111,3933; Adv. Mater. 2021,33, 2101316; Adv. Funct. Mater. 2025,35, 2500755）。

近期，团队在新型高效SOT材料与机制方面取得重要进展。寻找具有高电荷-自旋转换效率的新材料是突破SOT功耗瓶颈的关键。尽管拓扑半金属因其特殊的体相拓扑节点和自旋-动量锁定的表面态备受领域关注，但现有体系大多依赖于能带的偶然反转，缺乏基于晶体对称性原理的主动设计；特别是如何建立从晶体对称性到拓扑电子态，再到高效SOT性能的直接关联，仍是领域亟待探索的关键问题。

为此，团队利用晶体对称性工程，创制出六角相5d金属氧化物SrIrO₃薄膜，证实了由非点式对称性保护的拓扑狄拉克半金属态，并利用其独特的电子结构实现了室温下高达2.26的自旋霍尔角，将器件磁化翻转功耗较传统重金属降低了一个数量级以上。

研究人员发现，通过精准控制外延生长取向，可以成功将SrIrO₃稳定在一种具有“非点式滑移对称性”的六角晶体结构相中。这种特殊的原子排列方式，在材料的能带结构中形成了受对称性保护的拓扑狄拉克点。利用原位ARPES直接观测到体相的三维拓扑狄拉克节点和二维的自旋-动量锁定表面态，为巨大的电荷-自旋转换效率提供了直接的微观物理根源。进一步的器件输运实验证实，六角SrIrO₃提供的巨大自旋轨道力矩可以实现超低阈值电流密度（5.9×10⁵ A/cm²）的垂直磁化翻转，展现出超低功耗应用的巨大潜力。

有别于广泛研究的偶然能带反转机制，这种由非点式对称性产生的拓扑态受晶格严格保护，不仅具有极高的稳定性，更能通过主动调控晶格结构实现材料的理性设计。基于此，研究团队提出了“晶体对称性-拓扑电子态-高效SOT”的协同设计策略，确立了晶体对称性作为设计和筛选高性能自旋源材料的有效物理判据，从根本上为研发下一代超低功耗自旋电子器件提供了全新的材料平台与科学指导。 

相关研究成果以“Symmetry-enforced topological Dirac semimetal for giant spin–orbit torque with ultralow power dissipation”为题，发表在《国家科学评论》（National Science Review）上（DOI: 10.1093/nsr/nwag077）。该工作的第一/共同第一作者为宁波材料所博士后郑轩、联合培养博士生彭思阳及博士后陈雪娇，通讯作者为中国科学院宁波材料所汪志明研究员、宁波东方理工大学李润伟教授及瑞士保罗谢尔研究所Milan Radovic，合作者包括中国科学技术大学苏州高等研究院钟志诚教授，中国科学院金属研究所陈星秋研究员、孙岩研究员、刘培涛研究员，中国科学院物理研究所石友国研究员，北京航空航天大学彭守仲教授，浙江大学史明教授等，研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院项目的支持。

图1. 晶体对称性保护的拓扑狄拉克半金属及巨大的自旋-轨道力矩。（a）六角结构SrIrO₃中体相拓扑狄拉克点与自旋动量锁定表面态的示意图。

（b-c）六角SrIrO₃的自旋霍尔角和功耗与其他材料的对比，展示了其在SOT效率和写入功耗方面的显著优势。

（磁性材料及应用实验室）