近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室李军学副教授、杨硕颖助理教授研究团队在超导自旋电子学研究中取得新进展，相关成果以 “Vortex-mediated spin current injection into two-dimensional superconductor NbSe₂”为题发表在 Science Advances。

该研究中，研究人员在二维超导体二硒化铌（NbSe₂）与亚铁磁绝缘体LiAl₂Fe₃O₈（LAFO）构成的异质结中，观测到与单层NbSe₂中常规涡旋能斯特效应符号相反的热电信号，并通过温度与磁场依赖测量，将这一响应与涡旋液体态中的自旋流注入联系起来。这一实验现象与之前理论预言的自旋-涡度相互转化和逆涡旋自旋霍尔效应相吻合。该研究为利用超导涡旋传递自旋角动量提供了实验依据，也为探索超导体中的自旋输运开辟了新的途径。

超导自旋电子学希望结合超导体与电子自旋的特点，为低功耗信息器件提供新的物理基础。如何将自旋角动量注入超导体并实现有效传输，是这一领域的重要问题。以往研究主要关注自旋极化准粒子和自旋三重态库珀对，而第二类超导体中普遍存在的磁通涡旋，则提供了另一种可能。

磁通涡旋由涡核及其周围环流的超导电子对组成。涡旋运动会产生电阻，因此传统超导应用往往设法将其固定。理论研究提出，涡旋也可能通过超流环流的轨道角动量或涡核的自旋极化，与自旋自由度耦合。在钉扎减弱、涡旋能够运动的涡旋液体态中，这种耦合有望使涡旋参与自旋角动量传递。然而，外部注入的自旋能否驱动超导涡旋，仍需实验检验。

研究团队选择具有强自旋轨道耦合的层状超导体NbSe₂，与低磁阻尼的亚铁磁绝缘体LAFO构筑异质结。作为对照实验，研究人员还在非磁性SiO₂/Si衬底上制备了单层NbSe₂涡旋能斯特器件。实验利用器件顶部的微型加热器产生垂直于薄膜的温度梯度，在面内施加磁场，并测量NbSe₂中的横向二次谐波电压。如图1所示，常规涡旋能斯特效应中，温度梯度驱动涡旋由热端向冷端运动，产生横向电场。如果磁性层向超导体注入的自旋驱动涡旋沿相反方向运动，就会产生相反符号的电压。因此，异质结与对照器件之间的电压极性差异，成为识别这一过程的重要线索。

测量发现，两类器件均在接近上临界磁场的区域出现明显热电峰（图2），但NbSe₂/LAFO异质结的信号与对照器件符号相反。这一反转在多个器件中重复出现，与自旋注入驱动涡旋运动的预期一致。信号出现的磁场远高于LAFO的磁化饱和场，也表明该响应不能简单归因于磁性层的磁化翻转或畴壁运动。

为了确定反转信号与超导涡旋的关系，研究团队系统测量了热电电压随温度和磁场的变化，并在相同加热条件下同步测量电阻。结果显示，显著热电响应主要位于涡旋晶格熔化场与上临界磁场之间，对应涡旋液体区间（图3）。在较低磁场下，涡旋受钉扎限制，热电响应很弱；进入涡旋液体态后，涡旋运动变得活跃，热电信号随之增强。

进一步的温度依赖测量表明，两类器件的热电信号均在超导转变区域达到较大幅值，并在高于超导转变温度后降至测量分辨范围内（图4）。这与正常态准粒子能斯特信号的行为不同，不支持将所观测的符号反转归因于正常态准粒子贡献。结合信号出现的相区，这些结果支持涡旋运动在异质结热电响应中发挥主导作用。

从微观机制看，实验结果与自旋—涡度转化和逆涡旋自旋霍尔效应的理论图像相符。前者可通过界面自旋轨道相互作用产生电荷流，再由洛伦兹力驱动涡旋；后者则涉及自旋积累梯度对涡旋运动的直接驱动。两种机制都能够将注入的自旋角动量与涡旋运动联系起来，其具体贡献仍有待进一步区分。反转温度梯度时热电信号也随之反转的对照结果，为这一物理图像提供了补充支持。

这项研究将超导涡旋从传统上需要抑制的耗散来源，拓展为可用于研究自旋注入和角动量传递的物理对象，并建立了通过热电信号极性及温度—磁场相图识别涡旋介导自旋注入的实验方法。由于磁通涡旋广泛存在于第二类超导体中，这一思路有望推广至其他超导材料，包括涡旋物理尤为丰富的高温超导体系。未来，研究可结合自旋泵浦、非局域输运和涡旋动力学测量，进一步检验涡旋介导的自旋传输距离与转换效率，并探索互易的涡旋诱导自旋力矩效应，为发展基于涡旋的超导自旋电子学器件提供基础。