物理学院王钰言助理教授在《Nature Communications》发表有关自旋泵浦效应的研究成果

作者: 时间:2020-03-04 点击数:

近日,Nature Communications在线发表了北航物理学院王钰言助理教授与慕尼黑工业大学、清华大学合作的有关反铁磁自旋泵浦效应的研究成果“Spin pumping during the antiferromagnetic–ferromagnetic phase transition of iron–rhodium”[Nat. Commun. (2020) 11: 275],北航物理学院为第一通讯作者单位。该研究工作得到德国洪堡学者基金、国家自然科学基金、德国科学基金等项目的资助。

自旋电子学研究通过对材料中自旋自由度的有效操控,如自旋极化、自旋输运和自旋检测等,给微电子器件的应用乃至信息工业带来了革命性的进步。随着信息存储领域的高速发展,传统的以铁磁材料为核心的自旋电子学器件体现出了明显的局限性。作为自然界中广泛分布、却被长期忽视的另一类磁学材料—反铁磁材料,因为其抗外磁场干扰、没有铁磁杂散场、以及相对铁磁更高的内禀频率(THz)等优势,成为了推动低功耗、高密度、高读写速度的自旋逻辑器件发展的明星材料。如何在反铁磁材料中实现自旋流的高效激发、调控和探测是反铁磁自旋电子学领域亟待解决的关键科学问题。

由于自旋流在传输过程中不产生净电荷流和杂散磁场,能够以非常小的功耗输运信息,是新一代信息传输的优良载体。自旋泵浦效应作为产生纯自旋流的重要方法,利用铁磁共振等手段能够将纯自旋流从铁磁层中泵浦到紧邻的非磁层,并发生驰豫,同时伴随着铁磁层的阻尼因子的增加。进一步利用紧邻非磁金属层的逆自旋霍尔效应,可以将纯自旋流转化为可探测的电荷信号,从而实现自旋泵浦的电测量。因此,自旋泵浦效应和逆自旋霍尔效应的“双剑合璧”成为研究各种材料中“自旋-电荷转换问题”的经典手段。目前,自旋泵浦效应主要集中在异质薄膜之间,即垂直于薄膜表面的层间,却忽略了多相材料内部的横向的自旋泵浦效应;且在自旋流的探测中通常使用非磁贵金属如Pt、Ta、W等,对于同样具有强自旋轨道耦合作用的反铁磁金属仍亟需挖掘。探究反铁磁材料内部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并提高其效率、以及与当前基于电荷流的半导体技术的集成均是至关重要的。  

图(a)FeRh/Pt体系的纵向和侧向自旋泵浦效应示意图;(b)共面波导和自旋泵浦效应的测试示意图;(c)FeRh/Py体系的逆自旋霍尔电压,自旋流从Py注入到反铁磁FeRh;(d)FeRh反铁磁-铁磁相变过程中的阻尼因子解析。

 

作为热辅助磁存储及反铁磁自旋电子学中重要的候选材料,FeRh由于其在室温附近具有独特的铁磁-反铁磁的一级相变而脱颖而出,对于认识单一材料中不同磁性相之间的自旋输运及动力学机制具有科学价值。本工作重点研究了超薄FeRh(≤10nm)基自旋器件中的垂直自旋泵浦效应和侧向自旋泵浦效应,结合铁磁共振技术,从实验上揭示了多功能性的FeRh兼具优异的自旋流激发(铁磁相)和探测(反铁磁相)性能。基于FeRh相变过程中阻尼因子(damping)的解析,首次报道了在FeRh薄膜内部从铁磁畴到反铁磁畴的侧向自旋泵浦效应,实现了FeRh铁磁/反铁磁相界面处高效的自旋输运和自旋角动量转移。该研究工作对于认识反铁磁金属材料中的自旋动力学特性,如自旋流的产生、传输和探测过程具有科学意义,同时FeRh大范围可调的阻尼因子也表明了其在高速低功耗的反铁磁自旋器件中具有潜在的应用价值。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-14061-w

 

王钰言,北航物理学院,助理教授,洪堡学者,主要研究方向:磁性薄膜,自旋电子学材料与器件,二维材料的磁光电性能调控等。

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