材料學院易迪課題組合作在磁振子調控方面取得進展
清華新聞網7月11日電 傳統自旋電子器件一般依賴電子傳輸自旋信息，這一過程不可避免地會產生焦耳熱。近期的研究發現磁振子可以在亞鐵磁和反鐵磁絕緣體中傳輸自旋而不涉及電荷運動，作為信息載體處理和傳輸信息時不產生明顯的熱耗散，被視為發展低功耗信息功能器件的理想載體。如何有效地操控磁振子流的大小和自旋極化方向，是這一領域亟待解決的關鍵問題之一。
近日，清華大學材料學院易迪課題組和合作者通過構筑單疇化的反鐵磁絕緣體，實現了一種室溫下工作的磁振子偏振片，其功能類似于光學偏振片，可以實現對具有特定自旋極化方向的磁振子流的選擇性傳輸，并可以調控其自旋極化方向，為新一代低功耗自旋電子器件奠定了關鍵基礎（圖1）。
圖1. 基于反鐵磁絕緣體的磁振子偏振片工作原理圖
研究團隊基于具有強自旋-晶格耦合的反鐵磁氧化物鐵酸鑭（LaFeO?），通過精確調控晶體對稱性和襯底應變，成功獲得了具有單結構疇和反鐵磁疇的鐵酸鑭薄膜，實現了穩定、方向唯一的奈爾矢量。該材料能夠高效地傳輸自旋極化與奈爾矢量平行的磁振子流，并完全阻斷自旋極化與奈爾矢量垂直的磁振子流，表現出大的磁振子傳輸“開-關”比（圖2）。
圖2.LaFeO?（鐵酸鑭）薄膜的晶體結構、反鐵磁結構和磁振子輸運性能表征
研究團隊進一步結合自旋塞貝克效應與自旋力矩鐵磁共振測試，明確地驗證了該偏振片可以調制透過磁振子流的自旋極化方向，突破了此前多疇材料中平均效應的限制。基于此，團隊進一步驗證了該磁振子偏振片可以誘導產生非常規自旋力矩，獲得了通常難以實現的垂直面外分量，為實現低功耗、無場輔助的垂直磁矩翻轉器件提供了新方案（圖3）。總的來說，磁振子流偏振片不僅為自旋電子學領域提供了關鍵的功能模塊，更為反鐵磁絕緣體在未來信息器件中的應用打開了新思路。
圖3. 基于磁振子偏振功能實現非常規自旋力矩
上述研究成果以“基于反鐵磁絕緣體的純自旋流偏振片”（Pure Spin Current Polarizer Enabled by Antiferromagnetic Insulator）為題，于7月7日在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
在此基礎上，研究團隊進一步開展了異質結中磁振子輸運機制的研究，提出了一種利用界面耦合作用調控磁子流傳輸效率和各向異性的新策略。以La0.7Sr0.3MnO3/ LaFeO3/ Pt三層異質結構為研究平臺，團隊發現通過調控界面交換耦合和反鐵磁磁晶各向異性之間的競爭，可實現溫度驅動的奈爾矢量重定向，從而調控磁子輸運特性。基于自旋泵浦測量，發現該異質結的磁振子傳輸在高溫下表現出強單軸各向異性和高透過率，中溫下轉變為弱各向異性和中等透過率，最終在低溫下完全轉變為磁子絕緣體（圖4）。
圖4.溫度驅動的磁振子導體-絕緣體轉變
研究團隊進一步結合軟X射線磁線性二色譜（XMLD），揭示了界面耦合強度與反鐵磁層的磁晶各向異性競爭驅動LaFeO3的奈爾矢量重定向，并通過微磁模擬揭示了磁振子輸運特性轉變的微觀物理機制（圖5）。研究結果揭示了界面對異質結中磁振子輸運的關鍵影響，為發展反鐵磁磁子器件提供了新的理論基礎與設計思路。
圖5.界面耦合調控磁振子輸運的微觀機理
上述研究成果以“界面耦合調控反鐵磁磁子傳輸與各向異性”（Controlling Antiferromagnetic Magnon Transport and Anisotropy by Interfacial Coupling）為題，于7月4日在線發表于《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。
清華大學材料學院2020級博士生陳和田為兩篇論文的第一作者，材料學院副教授易迪、集成電路學院副教授南天翔為論文的通訊作者。主要合作者還包括清華大學材料學院教授林元華和副教授馬靜，物理系教授于浦，中國科學院高能物理研究所副研究員張玉駿、張慶華，上海光源副研究員朱方園，英國杜倫大學副教授何清、英國鉆石光源林正全博士和日本SPring-8光源大河內拓雄（Takuo Ohkochi）博士。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等的支持。
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