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4858美高梅ag:运用上述办法尽管阅览到了自旋流

文章作者:4858美高梅网址 上传时间:2019-09-20

自旋流的产生、调控以及自旋流-电流的转换是自旋电子学研究的核心问题。在上世纪90年代,V. M. Edelstein 预言与二维体系电流传输方向相垂直的方向上会产生纯自旋流,即Edelstein效应。与此相反,当自旋流被注入二维电子体系时,二维界面的Rashba效应可使电子发生与自旋取向有关的定向偏转,产生相应的电信号,这就是所谓的逆Edelstein效应。近年来人们在Rashba界面、二维材料以及拓扑材料表面态中均观察到由于Edelstein效应和逆Edelstein效应产生的高效的自旋流和电荷流相互转换。

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。

氧化物二维电子气体系(LaAlO3/SrTiO3)是一个理想的Rashba界面,是实现自旋流和电荷流相互转化的理想载体。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室孙继荣团队与北京大学教授韩伟合作,利用铁磁共振实现自旋泵浦的办法,在LaAlO3/SrTiO3界面观察到了自旋与电荷流之间的相互转化,其自旋信号可以持续到室温,并且可以利用门电压进行调控(Sci. Adv. 3, e1602312 。利用上述办法虽然观察到了自旋流与电荷流之间的相互转化,但这其中存在着两个问题一直困扰着研究人员,一是自旋泵浦效应存在着寄生信号,影响对真实信号的判断;二是自旋流在传输的过程中要穿过绝缘的LaAlO3层,极大地降低了自旋注入效率。

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。

经过长时间探索,最近该团队成功得到了EuO/KTaO3磁性二维电子气 (Phys. Rev. Lett. 121, 116803 。这是首例由磁性绝缘体/高介电绝缘体构成的新型二维电子气。EuO是铁磁绝缘体,与KTaO3界面形成导电界面。由于EuO对于KTaO3界面的磁邻近诱导效应,EuO/KTaO3 二维电子气显示了明显的铁磁特征。同时,由于磁性EuO与二维电子气直接接触,借助这一设计可以克服非磁性绝缘层的阻碍作用,实现从EuO到二维电子气的直接自旋流注入,并通过二维电子气的逆Edelstein效应实现自旋流–电荷流的转换。

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。

最近,在孙继荣指导下,博士研究生张洪瑞等人利用热自旋注入的办法,通过二维电子气的转换作用,成功实现了自旋流-电荷流的高效转化。具体实验过程是,首先在EuO中建立温度梯度,利用温度梯度驱动非平衡磁振子扩散,进而形成自旋流。由于EuO和二维电子气的密切接触,磁振子自旋流直接注入KTaO3界面层的二维电子气中。由于界面的Rashba 效应,自旋注入引起电子动量不对称分布,从而产生电流输出。由于没有非磁性绝缘阻挡层,以及界面二维电子气的强Edelstein效应,自旋-电荷转换是高效的。简单的比较表明,在同样磁性层厚度下,低温下EuO/KTaO3二维电子气的自旋塞贝克系数是YIG/Pt异质结的19倍,而YIG/Pt是公认的最优自旋塞贝克体系。通过系统研究,他们还进一步确定了非平衡磁振子在EuO中的扩散长度为16 nm。

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】。

以往利用自旋泵浦对氧化物界面进行自旋注入,是通过在磁性层与二维电子气之间交换电子实现的,且中间间隔非磁性绝缘层。该研究中自旋流由EuO中非平衡磁振子的扩散形成,且直接注入EuO/KTaO3界面,通过磁振子与界面电子的交换作用及自旋-电子动量锁定效应实现转换,因而是一种新的注入与转换方式。这一工作揭示了磁性二维电子气的新特性及氧化物自旋电子学研究的巨大潜力。

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。

4858美高梅ag,该工作中的样品制备与韩伟合作完成。

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。

这一工作发表在Nano Letters上(Nano Letters 19, 1605 。该工作得到科技部、国家自然科学基金委项目和中科院重点项目的支持。

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图1. 探测端电压和注入端电流的依赖关系,探测端电压的磁场依赖关系

图1. EuO/KTaO3界面的热自旋注入和逆Edelstein效应示意图。 自旋塞贝克逆Edelstein效应的实验装置图。 Rashba型二维电子系统的能带结构。 处于平衡状态和非平衡状态的费米面。

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图2. Pt/YIG/Pt中的磁子拖拽电压和Cu/YIG/Pt中的自旋塞贝克电压与YIG磁化强度方向的依赖关系

图2. EuO/KTaO3界面的自旋塞贝克逆Edelstein效应,其中EuO厚度是15 nm。 左列是不同温度下热电电流随磁场的变化;水平列是不同加热功率下热电电流随磁场的变化。 热电电流随样品温度的变化,加热功率是65 mW。 热电电流随加热功率的变化,样品温度是10 K。

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图3. 不同EuO厚度样品的自旋塞贝克逆Edelstein效应。 不同EuO厚度样品热电电流随磁场的变化,测试温度是10K,施加的温度梯度是18.8 K/cm。 热电电流随EuO厚度的变化。

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图4. 自旋塞贝克系数随着EuO/KTaO3和YIG/Pt 异质结中磁性层厚度的变化,温度固定在10K,Pt的厚度在5~10 nm。

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