近日，自旋电子学研究所青年教师黄启坤与颜世申教授在面内磁化PtCo/Cu双层异质结构中，首次实验报道了由自旋-涡旋耦合（Spin-Vorticity Coupling, SVC）效应主导的电流驱动、无外加磁场的磁化翻转。该研究成果以“Efficient Spin–Orbit Torque Switching via Spin-Vorticity Coupling Effect in Light-Metal/Ferromagnetic-Metal Bilayers”为题发表在国际材料科学顶级期刊《Advanced Functional Materials》（IF = 19.0；DOI: 10.1002/adfm.202476194），济南大学为第一完成单位和通讯作者单位。

自旋轨道矩（Spin-Orbit Torque, SOT）是下一代低功耗非易失性存储器（如MRAM）与类脑神经形态器件的核心物理机制。长期以来，高性能SOT依赖铂（Pt）、钽（Ta）、钨（W）等5d重元素，其强自旋轨道耦合虽可高效产生自旋流，但这些材料通常具有高电阻率，导致效率受限并产生显著焦耳热。近年来，轻金属因其较低的电阻率和显著的轨道霍尔电导率，成为研究新方向。然而，尽管在轨道角动量生成方面取得进展，其产生的SOT效率仍无法超越传统重元素材料。

本工作另辟蹊径，摒弃对“强SOC”的路径依赖，聚焦铁磁/轻金属界面由空间变化的电子迁移率梯度所激发的全新物理机制—SVC效应。该效应不依赖原子内禀自旋轨道耦合，而源于电子流体动力学类比下的“自旋-涡度”关联，可在高电导率、低热耗散的轻金属异质结中高效生成纯自旋流。研究团队在PtCo（铁磁层）/Cu（轻金属层）界面构建可控的电子迁移率梯度，通过谐波检测等手段验证了SVC效应在面内磁化轻金属系统中的应用潜力。较传统PtCo/Pt重金属体系，PtCo/Cu所需的SOT临界电场强度降低了约79%——从0.9 × 10⁶ V/m降至仅0.19 × 10⁶ V/m。此外，研究团队通过系统调控Cu层的厚度和电导率，验证了临界电场强度与Cu电导率的平方呈反比关系，自旋-涡度耦合电导率以及单位电场下单向磁电阻则与Cu电导率的平方呈正比关系。实验结果与SVC理论模型高度一致，进一步证实了该机制的物理本质。通过设计PtCo/Ti与Cu/PtCo迁移率梯度反转的对照样品，观察到SOT符号完全反转，排除了轨道霍尔效应（OHE）、自旋霍尔效应（SHE）或Rashba–Edelstein effect（REE）等竞争机制，进一步确认了SVC效应的主导作用。

青年教师黄启坤与颜世申教授为该论文共同通讯作者，2024级硕士研究生石雅楠为论文第一作者，其他合作者包括硕士生韩震、谭诚，博士生伊龙文，青年教师蔡立、韩翔，曹强教授，以及山东大学的田玉峰教授。

本工作得到了国家自然科学基金重点与青年项目的资助。论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.76194。