拓扑霍尔效应（THE）是表征斯格明子、手性畴壁等拓扑自旋纹理的常见探测手段，在高能效自旋电子学器件中具有巨大应用潜力。传统研究多采用固定电流方向的霍尔输运测量，忽视了材料本征各向异性对拓扑构型的调控作用，导致对实际器件中电流取向的影响认识不足。揭示电流方向如何与材料对称性耦合，成为拓扑输运研究亟待解决的科学问题。
图1 生长在 STO (100)/SRO (6 nm)/TmIG (6 nm) 双层中的拓扑霍尔效应。a. SRO 与 TmIG 的晶体结构示意图；b. 110 K 温度下测得的霍尔电阻率，以及拟合得到的反常霍尔效应（AHE）曲线；c. 不同温度下，双层的霍尔电阻率随外加磁场的变化关系；d. 单层 SRO 薄膜的霍尔电阻率测试结果。
近日，中山大学广东省磁电物理与器件重点实验室张帮敏副教授课题组的工作揭示了Tm3Fe5O12(TmIG)/ SrRuO3(SRO)异质结中各向异性的拓扑霍尔效应(THE)，并将其归因于界面岛状微结构的各向异性及诱导的自旋霍尔磁电阻(SMR)通道调制，为实现拓扑自旋纹理的定向调控开辟了新路径。课题组通过脉冲激光沉积技术(PLD)在SrTiO₃(001)衬底上精准生长SRO(6 nm)/TmIG(2-10 nm)双层膜，通过综合物性测量系统揭示了该全氧化物体系中的拓扑霍尔效应(THE，图1)行为。进一步探讨了THE的各向异性。沿衬底 <100> 与 <110> 两种不同晶格取向完成了各向异性THE的输运测试：发现电流沿 <100> 晶向的 THE 电导率显著高于 <110> 晶向；不同温度下的 THE 测试结果绘制的相图进一步验证，在 105K 至 118K 的温度区间内，<100> 晶向的 THE 电导率始终高于 <110> 晶向
图2 不同电流取向下的THE电导率及其作用机制。a. 电流沿 <100> 与 <110> 晶向时的拓扑霍尔效应电导率；b. <100 > 晶向对应的拓扑霍尔效应电导率等高线图；c. <110> 晶向对应的拓扑霍尔效应电导率等高线图；d、e. <100> 晶向与 <110> 晶向的结构示意图，界面处包含 TmIG 中的手性自旋织构；f. <100> 与 <110> 晶向的外延岛占比统计结果。
为探究观测到的 THE 各向异性，研究通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）与能谱分析（EDS）表征了异质结界面：SRO 层为外延生长，受 STO 衬底完全应变，且 <100> 与 < 110 > 晶向的应变水平一致，而 TmIG 层为无外延生长的多晶结构(见图3)。SRO与TmIG的界面存在岛状分布结构，EDS分析证实这些岛区为连续的层状结构，其生长序列为 SrRuO3/SrFeO3/TmFeO3/Tm3Fe5O12；而无岛区的SRO与多晶 TmIG 之间存在不连续的界面层，不具备拓扑信号传输的条件。只有界面的岛状区域能通过SMR效应检测到 TmIG 层的拓扑自旋结构信号，是 THE 信号的有效来源。统计结果显示，界面 <100> 晶向的岛状结构占比达 44.37%，远高于 <110> 晶向的 27.82%，这一占比差异与 <100> 方向更强的THE信号直接对应，阐明了THE电流取向各向异性的核心机制。本研究将THE的各向异性与界面微结构定量关联，突破了“各向同性假设”的理论局限，不仅为理解电输运中的拓扑磁结构提供了新视角，还为开发基于电流方向可控的低功耗拓扑器件（如3D赛道存储器）提供新的参考。
图3基于高分辨透射电子显微镜（HRTEM）的界面元素表征。a.透射电子显微镜（TEM）图像；b. 外延岛晶体结构的示意图；c、d. 外延岛的原子相图像，以及对应的透射电子显微镜EDS表征结果。
论文以“Angular-Dependent Topological Hall Effect in Tm3Fe5O12 on SrRuO3”为题发表于国际著名期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: doi/abs/10.1002/adfm.202513700）。该工作由中山大学独立完成，物理学院、本实验室博士研究生黄湛为是论文第一作者，张帮敏副教授为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心（物理学）的支持。
