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大意所在自旋塞Beck效应与非常能斯特效应研讨中

日期:2019-09-23编辑作者:关于科技

热自旋电子学亦称自旋卡诺电子学,作为自旋电子学的贰个生死攸关分支,因在微电子器件废热再利用等方面包车型地铁选取前景而连忙兴起。个中,自旋塞Beck效应、自旋依赖的塞Beck效应、有失水准能斯特效应等与自旋相关热电效应,因其背后复杂的大要机制,而面前遭受关怀。Uchida等人【Nature 455 778】首先在NiFe/Pt双层膜种类中电视发表了横向SSE。Kikkawa等人【Phys. Rev. Lett. 110 067207】和Qu等人【Phys. Rev. Lett. 110 067206】随后则在Au/YIG系列中报导了纵向SSE。那个商量均通过温度梯度将纯自旋流从铁磁体注入到重金属顺磁体中,再利用重金属的逆自旋霍尔效应而赢得电压实信号。那么通过SSE爆发的纯自旋流,假如被注入到铁磁导体中,将会发出哪些景况?铁磁金属是或不是也是有所逆自旋霍尔效应?固然有,其是还是不是与磁性金属的磁化方向相关?其自旋霍尔角能有多大?这一个难题均须要实验来答复。何况绝对于铁磁绝缘体/顺磁重金属体系,铁磁绝缘体/铁磁导体种类具备更目迷五色的磁化行为,更目眩神摇各个的热电复信号,怎样从那几个时限信号中分辨出单纯的自旋塞Beck效应则改为该试验的难处与纽带。

磁性存款和储蓄和磁逻辑等自旋电子学器件的宗意在于自旋音讯的传递,非常是自旋消息的发生、操控和探测是自旋电子学领域的二个主干难题。现成的自旋电子学中自旋音信首要依附金属中的传导电子,四个极度有趣的难题是,是或不是有另外粒子以至是准粒子能够视作自旋新闻的载体?作为铁磁体中低能激发态的准粒子——磁子,是一种玻色子,並且二个量子化的磁子指点三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常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音信的输运而从未电荷的输运,进而得以肯定减少器件的耗电。

中国科高校物理钻探所/东京凝聚态物理国家实验室磁学国家入眼实验室研商员韩秀峰领导的钻研团体,美妙地使用调换偏置技术成功地将上述各种互动纠缠的实信号表明到区别的磁场范围内,使得铁磁体SSE实信号的辨识变得特别轻易而直观。如图1所示,该研商团体制备了YIG/Cu/NiFe/ IrMn/Ta的置换偏置结构。个中YIG是自旋流输出源。NiFe是自旋流的吸取端,可用以探测其逆自旋霍尔效应。IrMn用于调换偏置NiFe的磁化曲线,使其主导偏离0磁场。通过在A条或C条施加加热电流[图1],沿y动向施加磁场,则能够在B条沿x方向探测到电压频限信号[图1]。在此以前,先测量了系统的平面霍尔效应以及各向异性磁电阻。这一个随机信号只可以唯一来源NiFe,且布满于50 Oe~250 Oe的磁场区间[图1]。相反,在0磁场相近还考察到三个电压能量信号[图1]。这一个能量信号与YIG的磁矩翻转有关,它不得不来自NiFe和YIG之间的SEE非确定性信号。乃至当同期在A条和C条之间施加加热电流,因面内温度梯度在B处抵消,NiFe的平面能斯特实信号差不离消失,而与YIG相关的SSE实信号则获得了抓牢[图1]。因而根据这一置换偏置结构,成功地在YIG/磁性金属基种类测量到了纯粹的自旋塞Beck效应,为继续进展铁磁性导体的自旋霍尔效应商量提供了一个至绝对美丽好的磁微米异质结构体系。该结果已于这段日子公布在《物理商量》杂志上【Hao Wu, C. H. Wan, X. F. Han et al., Observation of pure inverse spin Hall effect in ferromagnetic metals via ferromagnetic/ antiferromagnetic exchange-bias structures, Phys. Rev. B 92 054404】。

二〇一二年,美利坚合众国罗德岛大学教师张曙丰团队从理论上猜测了在重金属/铁磁绝缘体/重金属开封治结构中,存在着磁子扶助的电流拖拽现象【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分界面发生自旋积攒,通过HM中传导电子和MI中局域磁矩之间的s-d 电子之间的置换相互成效,能够激情MI中的磁子,磁子在MI中扩散产生磁子流,磁子流传递到另一侧的HM中间转播换来自旋流,该自旋流通过逆自旋霍尔效应从而能够在另一侧的HM中生出电流。

针对热自旋电子学的研商热潮也复燃了人人对另一种古老自旋热电效应——有有失常态态能斯特效应的研讨兴趣,不止归因于该功用也是有着发电的手艺,还因为这种效果往往会与其余自旋热效应发生绕组与混淆,且其大意机制尚未被完全揭露。近几来国际上有非常多关于有相当态能斯特效应的切磋,都尽力探明其背后的情理图像。Ramos等人【Phys. Rev. B 90 054422】和Pu等人【Phys. Rev. Lett. 101 117208】分别探究了厚Fe3O4薄膜和Ga1-xMnxAs薄膜的有失常态能斯特周全、塞Beck周密与狼狈霍尔角三者之间的热度正视关系,发掘能斯特周详和塞Beck周到均满意莫特关系。Hesegawa等人【App. Phys. Lett. 106 252405】通过对FePt、Co/Ni等垂直薄膜种类的商讨开采:能斯特周全与磁各向异质量具备非常高的正相关依赖天性。这一个干活儿均暗中提示着反常能斯特周密和塞Beck周全、自旋轨道耦合效应之间包罗着某种重视关系。但那三者间的涉嫌没有在平等材质类别中,非常是在自旋轨道耦合强度能被清淡调整的系统中,被系统商讨过。假若能找到这么五个体系,那该系统将会使得斟酌上述三种功能之间的内在深等级次序联系成为恐怕。

中科院物理研讨所/东方之珠凝聚态物理国家实验室磁学国家入眼实验室研究员韩秀峰领导的商讨团体,利用磁控溅射手艺结合高温热管理工科艺经过一密密麻麻样品的筹备和优化,克制了未来YIG只好在多晶硅GGG衬底上制备的限定,在Si-CaO衬底上规划和筹备了Pt/YIG/Pt这种新颖的重金属/铁磁绝缘体/重金属层状自旋阀结构。通过透射电镜和高角环形暗场像注明YIG具备较好的晶体结构,并且Pt和YIG的分界面前境遇比明晰。通过振动样品磁强计和铁磁共振吸取谱申明该样品一般温度下具备较强的磁性和非常低的阻尼全面。在那之中尾巴部分和顶端Pt分别作为注入端和探测端,注入端电流沿x方向施加,探测端电压一样沿x方向度量。该实验制伏了未来的面内非局域自旋阀只好探测YIG中的磁子储存、无法直接探测YIG中磁子流的症结,能够一直将实践结果和议论预测举行相比较。

韩秀峰公司经过磁控溅射本领、紫外暴光与刻蚀等微纳加工方法、热输运有限元模拟以及热电输运性质衡量等,系统地设计和钻研了[Pt/Co]n多层膜类别的非平常能斯特全面、塞Beck全面和窘迫霍尔角(反映自旋轨道耦合强度的指标)以及三者之间的借助关系。当中,在该系统中自旋轨道耦合强度可由分界面数量单调地调制。换来说之,保持飞米多层膜异质结构以及Pt、Co的总厚度不变,减弱各类周期单元的薄厚来使周期数n扩张,进而完毕对自旋轨道耦合强度的增高调制。实验结果表明,有有失水准态能斯特周密随着多层膜种类分界面数量的加码而干燥巩固。特别是不对能斯特全面与狼狈霍尔角之间还留存高度的相关性、以致是线性的借助关系。那鲜明呈现了双方一齐的情理起点——自旋轨道耦合效应。

该课题组经过与张曙丰团队通力合营,举行了尝试与讨论模型的比较深入分析,开采该试验获得的一般温度下的电流拖拽系数能够达到10-4量级,探测端电压和注入端电流成线性关系,未有观测到甘休电流,而且探测端电压和YIG磁化强度沿y大势分量的平方成正比,这一表征与过去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Beck效应【K. Uchida et al., Nat. Mater. 9 894】不一致。在YIG和Pt分界面上,自旋和磁子的转换功效正比于YIG中平衡态磁子的数码,对于能够分界面和三次方的磁子谱布满,其探测端电压和热度的5/2次方成正比。通过拟合探测端电压与YIG厚度的正视关系,能够收获YIG中磁子流的衰减长度为38 nm,这点与其余研商组报导的关于YIG中自旋塞Beck效应的实验结果相周围【S. M. Rezende et al., Phys. Rev. B 89 014416】。

为了更深入分析有失水准能斯特周详与有失常态霍尔角的依靠关系,该探讨团体在前人【Baueret al, Nat. Mater. 11 391】线性响应理论的底蕴之上,进一步推导出畸形能斯特周密的求实情势。该理论模型申明:在磁性导体中并在钻井标准下,沿温度梯度方向不独有设有一般度量的塞Beck电压,还存在纯的自旋流。该自旋流的深浅正比于|P-PT|,个中P和PT分别是电导率σ与热电电导率σS (S是塞Beck周密)的自旋极化度。该自旋流进一步被铁磁导体中的逆自旋霍尔效应调换来横向的电流非确定性信号,并最终以有失水准能斯特电压的花样被探测到。极度能斯特全面由此与塞Beck周全、反常霍尔角之间满意公式。该公式第叁回定量描述了那八个为主物理量之间的内在联系。这五个参数之间的周到与素材本征的有个别特点,如PPT以及Pθ (自旋霍尔角在铁磁体中的自旋极化度)有关。上述规律在别的薄膜种类也获取了尝试证实,如在Co/Pt、CoFeB/Pt等薄膜种类中的实验结果也遵守上述规律,那丰裕反映了这一原理在铁磁导体中的普适性。

该项商讨专门的学业制备出的Pt/YIG/Pt—重金属/铁磁绝缘体/重金属这种新式层状自旋阀结构,对于商讨铁磁绝缘体中磁子的输运性质拥有首要性的实施与理论指导意义,是“铁磁绝缘体自旋电子学”中国和欧洲常有代表性的突破性进展,它丰盛评释以铁磁绝缘体中磁子作为自旋音讯载体的一类新型自旋电子学宗旨器件具备十分重要的采纳前景,即以铁磁绝缘体中的磁子作为自旋新闻的载体,能够摆平电荷流动爆发的焦耳热的影响,具有低能耗的性状;而且这种在Si-Fe2O3上制备的垂直方向上的层状自旋阀结构,能够与存活的大范围集成都电子通讯工程大学路工艺举行匹配,有利于未来自旋电子零件与半导体微电子器件的彼此集成和汇总选拔。

η=(P-PT)/(P+Pθ)θHS/μ0M0

该项工作的相干商讨进展已发布在Phys. Rev. B 93 060403。相关商量取得了国家自然科学基金委员会员会、科技(science and technology)部和中国科高校有关项目资金的支撑。

该职业不仅仅显示了一种进步材质有失水准能斯特效应的格局:即利用磁性金属与非磁性重金属一同组成微米多层膜——超晶格,何况还在单一材质种类中第壹次申明了有有失水准态能斯特全面与狼狈霍尔角之间存在着线性的相互重视关系。这一事关声明了不法规能斯特效应是自旋相关塞Beck效应与逆自旋霍尔效应在铁磁导体中的叠合。该职业还给出了进一步查找巨大能斯特周全的笔触——在具有大的塞Beck周详以及自旋轨道耦合强度的铁磁体中大概赢得巨大的歇斯底里能斯特效应。相关商量结果已于方今登出在《物理商酌》杂志上【Chi Fang, C. H. Wan, X.F. Han et al., Scaling relation between anomalous Nernst and Hall effect in [Pt/Co]n multilayers, Phys. Rev. B 93 054420】。

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上述职业分别注明了自旋塞贝克效应与自旋相关塞Beck效应的存在,还联袂认证了在铁磁金属中设有着非常的大的逆自旋霍尔效应,况兼还标注极度能斯特效应是自旋相关塞Beck效应与逆自旋霍尔效应在铁磁导体中附加的这一物理本质。

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上述商量职业取得了国家自然科学基金委员会、科技(science and technology)部和中国科高校起初B项目等资本的接济。

图1. 探测端电压和注入端电流的正视性关系,探测端电压的磁场注重关系

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图1.样品截面高分辨透射电子显微图像;自旋塞Beck效应的大要图像;塞Beck效应度量布置;热邮电通讯号测量检验结果;样品的平面霍尔效应;各向异性测电阻和当分别在A条或C条或同期在A条和C条施加加热电流时,热邮电通讯号与磁场的涉及。

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磁化强度方向的依附关系

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图2. 有失水准能斯特电压VN与z轴磁场的正视性关系; VN与角度的注重关系; VN与加热功率ω的依据关系; 有反常态能斯特周详(vN≡dVN/dω)与Pt/Co分界面数量的重视关系和与分界面数量的关联。插图中显得了vN与非凡霍尔角θH之间的标度关系。当n“6时,两个显示很好的线性关系。

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