金沙澳门官网dkk:Pt和Pd中自旋霍尔角和自旋扩散

作者: 产品评测  发布:2019-11-24

纯自旋流研究是当今自旋电子学中的一个重要研究热点。纯自旋流指的是自旋向上和自旋向下的电子朝相反的方向进行运动,或者电子不动,但自旋以波的形式向前传播所产生的自旋输运过程。由于在传输过程中不产生净电荷流和杂散磁场,自旋流能够以非常小的功耗传输信息,是新一代信息传输的重要载体。纯自旋流研究包括纯自旋流的产生、输运和检测。其中,自旋流的产生与检测均涉及到自旋流和电荷流之间的相互转换。理解自旋流和电荷流之间的相互转换,对于探索基于纯自旋流的新型低功耗器件应用、提高其效率及新型器件其与当前基于电荷流的技术的集成而言均是至关重要的。自旋霍尔角和自旋扩散长度是表征自旋流-电荷流转换的两个重要参数。因其重要性,近年来科学家们花了很大的努力去量化这些参数,其中不乏在PRL、Nature Physics上发表的重要文章。但是即使在同一种材料上,甚至采用同一种技术手段,不同的研究组给出的结果也不一致,在国际上产生了很大的争议。对这些参数的表征已成为国际公认的自旋电子学难题之一。

磁性存储和磁逻辑等自旋电子学器件的核心在于自旋信息的传递,特别是自旋信息的产生、操控和探测是自旋电子学领域的一个基本问题。现有的自旋电子学中自旋信息主要依赖金属中的传导电子,一个非常有趣的问题是,是否有其他粒子甚至是准粒子可以作为自旋信息的载体?作为铁磁体中低能激发态的准粒子——磁子,是一种玻色子,并且一个量子化的磁子携带一个普朗克常量的自旋角动量。在金属中,传导电子自旋的输运通常伴随着电荷的输运。而在铁磁绝缘体中,只存在通过磁子传递的自旋信息的输运而没有电荷的输运,从而可以显著降低器件的功耗。

金沙澳门官网dkk 1

2012年,美国亚利桑那大学教授张曙丰团队从理论上预测了在重金属/铁磁绝缘体/重金属三明治结构中,存在着磁子辅助的电流拖拽现象【S. S.-L. Zhang and S. Zhang, Phys. Rev. Lett. 109 096603;Phys. Rev. B 86 214424】。其中一侧重金属中的电流由于自旋霍尔效应在HM/MI界面产生自旋积累,通过HM中传导电子和MI中局域磁矩之间的s-d 电子之间的交换相互作用,可以激发MI中的磁子,磁子在MI中扩散形成磁子流,磁子流传递到另一侧的HM中转换成自旋流,该自旋流通过逆自旋霍尔效应从而可以在另一侧的HM中产生电流。

图1:文献当中报道的Pt的自旋霍尔角和自旋扩散长度分布。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室磁学国家重点实验室研究员韩秀峰领导的研究团队,利用磁控溅射技术结合高温热处理工艺经过一系列样品的制备和优化,克服了以往YIG只能在单晶GGG衬底上制备的限制,在Si-SiO2衬底上设计和制备了Pt/YIG/Pt这种新型的重金属/铁磁绝缘体/重金属层状自旋阀结构。通过透射电子显微镜和高角环形暗场像表明YIG具有较好的晶体结构,并且Pt和YIG的界面比较清晰。通过振动样品磁强计和铁磁共振吸收谱表明该样品室温下具有较强的磁性和较低的阻尼系数。其中底部和顶部Pt分别作为注入端和探测端,注入端电流沿x方向施加,探测端电压同样沿x方向测量。该实验克服了以往的面内非局域自旋阀只能探测YIG中的磁子积累、无法直接探测YIG中磁子流的缺点,能够直接将实验结果和理论预测进行对比。

金沙澳门官网dkk 2

该课题组通过与张曙丰团队合作,进行了实验与理论模型的对比分析,发现该实验获得的室温下的电流拖拽系数可以达到10-4量级,探测端电压和注入端电流成线性关系,没有观察到截止电流,并且探测端电压和YIG磁化强度沿y方向分量的平方成正比,这一特性与以往的自旋转移力矩效应导致的YIG铁磁共振【Y. Kajiwara et al., Nature 464 262】和温度梯度导致的自旋塞贝克效应【K. Uchida et al., Nat. Mater. 9 894】不同。在YIG和Pt界面上,自旋和磁子的转换效率正比于YIG中平衡态磁子的数目,对于理想界面和二次方的磁子谱分布,其探测端电压和温度的5/2次方成正比。通过拟合探测端电压与YIG厚度的依赖关系,可以得到YIG中磁子流的衰减长度为38 nm,这点与其它研究组报道的有关YIG中自旋塞贝克效应的实验结果相接近【S. M. Rezende et al., Phys. Rev. B 89 014416】。

图2:A:自旋泵浦效应实验构型。B:自旋流传输过程中的截面图。

该项研究工作制备出的Pt/YIG/Pt—重金属/铁磁绝缘体/重金属这种新型层状自旋阀结构,对于研究铁磁绝缘体中磁子的输运性质具有重要的实验与理论指导意义,是“铁磁绝缘体自旋电子学”中非常有代表性的突破性进展,它充分表明以铁磁绝缘体中磁子作为自旋信息载体的一类新型自旋电子学核心器件具有重要的应用前景,即以铁磁绝缘体中的磁子作为自旋信息的载体,可以克服电荷流动产生的焦耳热的影响,具有低能耗的特性;并且这种在Si-SiO2上制备的垂直方向上的层状自旋阀结构,能够与现有的大规模集成电路工艺进行匹配,有助于未来自旋电子器件与半导体微电子器件的相互集成和综合利用。

物理学院丁海峰教授课题组、吴镝教授课题组与美国亚利桑那大学张署丰教授课题组、北师大袁喆教授课题组通力合作,提出了一种自洽的对自旋霍尔角和自旋扩散长度的表征方法。实验中采用表征材料自旋霍尔角和自旋扩散长度的常用手段自旋泵浦效应测量。通过对称性分析,选用特殊的实验构型,该研究组将潜在的热信号、自旋整流效应等杂散信号等仔细一一排除,从而获得干净的纯自旋流转化的电荷流信号。研究组还通过微波光电阻测量信号的测量直接将每个样品的与自旋流强度直接相关的进动角表征出来,从而直接获得自旋流的强度。实验结果还发现泵浦的自旋电流在同过铁磁材料与非磁材料界面时将发生一定的损耗即界面自旋损耗,界面自旋损耗的大小因不同的界面而异。结合理论分析,研究组发现界面自旋损耗可以通过自旋流所转化成的电荷流及有效自旋混合电导二者随厚度的不同演化关系定量地表征出来,进而自洽地获得自旋霍尔角和自旋扩散长度。该实验选用最常用的且争议最大的两种强自旋轨道耦合材料Pt和Pd开展研究,通过这两种金属与不同铁磁材料Co、CoFe和Py的组合,得到的Pt和Pd中自旋霍尔角和自旋扩散长度与所选用的与铁磁层材料无关,从而验证了的该方法的正确性与普适性。实验中还发现虽然Pd的自旋霍尔角比Pt小很多,但其与Co和Py等材料结合时界面自旋流传输损耗几乎为0,从而解释了前人实验中得到Pd能够给出和Pt相似的自旋轨道矩实验结果。这也为自旋电子学器件设计提供了新的启示,以往人们的重点大都放在找寻大自旋霍尔角的材料,但其实通过界面调控也可以有效地提高器件的效率,并且其调控空间广阔。该项研究成果发表在Sci. Adv. 4, eaat1670 上,物理学院丁海峰教授课题组的博士生陶新德、刘奇和缪冰锋副教授是该文共同第一作者,丁海峰教授和吴镝教授是共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助。

该项工作的相关研究进展已发表在Phys. Rev. B 93 060403。相关研究得到了国家自然科学基金委员会、科技部和中科院有关项目基金的支持。

本文由金沙澳门官网dkk发布于产品评测,转载请注明出处:金沙澳门官网dkk:Pt和Pd中自旋霍尔角和自旋扩散

关键词: