材料學(xué)院易迪課題組合作在磁振子調(diào)控方面取得進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)7月11日電 傳統(tǒng)自旋電子器件一般依賴(lài)電子傳輸自旋信息，這一過(guò)程不可避免地會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。近期的研究發(fā)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)，作為信息載體處理和傳輸信息時(shí)不產(chǎn)生明顯的熱耗散，被視為發(fā)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(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院易迪課題組和合作者通過(guò)構(gòu)筑單疇化的反鐵磁絕緣體，實(shí)現(xiàn)了一種室溫下工作的磁振子偏振片，其功能類(lèi)似于光學(xué)偏振片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diào)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(guān)鍵基礎(chǔ)（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(tuán)隊(duì)基于具有強(qiáng)自旋-晶格耦合的反鐵磁氧化物鐵酸鑭（LaFeO?），通過(guò)精確調(diào)控晶體對(duì)稱(chēng)性和襯底應(yīng)變，成功獲得了具有單結(jié)構(gòu)疇和反鐵磁疇的鐵酸鑭薄膜，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)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(xiàn)出大的磁振子傳輸“開(kāi)-關(guān)”比（圖2）。
圖2.LaFeO?（鐵酸鑭）薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、反鐵磁結(jié)構(gòu)和磁振子輸運(yùn)性能表征
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合自旋塞貝克效應(yīng)與自旋力矩鐵磁共振測(cè)試，明確地驗(yàn)證了該偏振片可以調(diào)制透過(guò)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(yīng)的限制。基于此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了該磁振子偏振片可以誘導(dǎo)產(chǎn)生非常規(guī)自旋力矩，獲得了通常難以實(shí)現(xiàn)的垂直面外分量，為實(shí)現(xiàn)低功耗、無(wú)場(chǎng)輔助的垂直磁矩翻轉(zhuǎn)器件提供了新方案（圖3）。總的來(lái)說(shuō)，磁振子流偏振片不僅為自旋電子學(xué)領(lǐng)域提供了關(guān)鍵的功能模塊，更為反鐵磁絕緣體在未來(lái)信息器件中的應(yīng)用打開(kāi)了新思路。
圖3. 基于磁振子偏振功能實(shí)現(xiàn)非常規(guī)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(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)展了異質(zhì)結(jié)中磁振子輸運(yùn)機(jī)制的研究，提出了一種利用界面耦合作用調(diào)控磁子流傳輸效率和各向異性的新策略。以L(fǎng)a0.7Sr0.3MnO3/ LaFeO3/ Pt三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)為研究平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)控界面交換耦合和反鐵磁磁晶各向異性之間的競(jìng)爭(zhēng)，可實(shí)現(xiàn)溫度驅(qū)動(dòng)的奈爾矢量重定向，從而調(diào)控磁子輸運(yùn)特性。基于自旋泵浦測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)的磁振子傳輸在高溫下表現(xiàn)出強(qiáng)單軸各向異性和高透過(guò)率，中溫下轉(zhuǎn)變?yōu)槿醺飨虍愋院椭械韧高^(guò)率，最終在低溫下完全轉(zhuǎn)變?yōu)榇抛咏^緣體（圖4）。
圖4.溫度驅(qū)動(dòng)的磁振子導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合軟X射線(xiàn)磁線(xiàn)性二色譜（XMLD），揭示了界面耦合強(qiáng)度與反鐵磁層的磁晶各向異性競(jìng)爭(zhēng)驅(qū)動(dòng)LaFeO3的奈爾矢量重定向，并通過(guò)微磁模擬揭示了磁振子輸運(yùn)特性轉(zhuǎn)變的微觀物理機(jī)制（圖5）。研究結(jié)果揭示了界面對(duì)異質(zhì)結(jié)中磁振子輸運(yùn)的關(guān)鍵影響，為發(fā)展反鐵磁磁子器件提供了新的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)思路。
圖5.界面耦合調(diào)控磁振子輸運(yùn)的微觀機(jī)理
上述研究成果以“界面耦合調(diào)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(xiàn)發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2020級(jí)博士生陳和田為兩篇論文的第一作者，材料學(xué)院副教授易迪、集成電路學(xué)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(xué)材料學(xué)院教授林元華和副教授馬靜，物理系教授于浦，中國(guó)科學(xué)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(guó)杜倫大學(xué)副教授何清、英國(guó)鉆石光源林正全博士和日本SPring-8光源大河內(nèi)拓雄（Takuo Ohkochi）博士。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。
本文鏈接：http://knowith.com/news-3-3266.html材料學(xué)院易迪課題組合作在磁振子調(diào)控方面取得進(jìn)展
聲明：本網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會(huì)到餡餅，請(qǐng)大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。
