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Pt和Pd中自旋霍尔角和自旋扩散长度的自洽测量

作者: 产品评测  发布:2019-12-16

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。

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。

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。

图4:A-C分别为Co/Pd,Py/Pd, 和CoFe/Pd样品中Pd厚度依赖的有效自旋混合电导。D-F为相应样品的归一化自旋泵浦电压信号随厚度的演化。通过二者的拟合可以获得自旋霍尔角和自旋扩散长度,研究表面在三种不同的体系中获得的Pd自旋霍尔角和自旋扩散长度在误差范围内完全一致,与铁磁材料的选取无关。

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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。

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3:A-C分别为Co/Pt,Py/Pt, 和CoFe/Pt样品中Pt厚度依赖的有效自旋混合电导。D-F为相应样品的归一化自旋泵浦电压信号随厚度的演化。通过二者的拟合可以获得自旋霍尔角和自旋扩散长度,研究表面在三种不同的体系中获得的Pt自旋霍尔角和自旋扩散长度在误差范围内完全一致,与铁磁材料的选取无关。

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。

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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

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