中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
M02組供稿
第52期
2020年06月29日
Y3Fe5O12/NiO/ Y3Fe5O12/Pt磁子結中磁子非局域自旋霍爾磁電阻效應

  物理学家布洛赫(F. Bloch, 1905-1983, Nobel Prize in 1952)早在1930年提出了自旋波及其量子化基元-磁激子(简称磁子)的概念:即磁有序系统的局域扰动可在整个磁有序晶格中以波的形式传播开来,随后在1957年被物理学家伯特伦·布罗克豪斯(B. Brockhouse, 1918-2003, Nobel Prize in 1994)采用非弹性中子散射实验所证实。这种存在于磁有序系统中的自旋波(磁子),像光波一样也具有波粒二象性,可以用来定向且长距离地传播自旋信息。然而,在过去长达近90年的时间里,能够发挥其功能特性和有应用价值的微纳米尺度磁子型器件却一直未能开发出来,长期成为国际前沿待解的难题。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁学国家重点实验室的韩秀峰研究員课题组,2016年率先在Pt/Y3Fe5O12/Pt这种重金属(HM)和磁性绝缘体(FMI)构成的垂直磁子异质结HM/FMI/HM中,观察到了磁子为中介的电流拖拽(MECD)效应。即一层重金属中如有电流通过,由于自旋霍尔效应和界面处自旋极化电流与磁子流之间的转换,可以激发出磁性绝缘体中的磁子流,并在另一侧界面经由磁子流与自旋极化电流的逆转换,变成另一侧重金属中的自旋流,最后通过逆自旋霍尔效应生成相反方向的拖拽电流信号[H. Wu, X.F. Han, et al. PRB 93 (2016) 060403(R)]。该实验充分证明了磁子作为自旋信息载体的可行性以及磁性绝缘体传导磁子流的有效性。该垂直磁子异质结HM/FMI/HM也成为全电学调控的一种磁子发生器。

  随后,韩秀峰课题组构建了由磁性绝缘体(FMI)和非磁性金属(NM)构成的FMI/NM/FMI磁子阀(如YIG/Au/YIG),利用自旋塞贝克效应,通过调控磁子阀上下两层磁性绝缘体的磁矩方向分别处于平行和反平行状态,可以对外输出大小不同的磁子流,构成一个有效调控磁子流的阀门开关。该成果作为编辑推荐和物理特色文章发表在《物理评论快讯》[H. Wu, X.F. Han, et al. PRL 120 (2018) 097205, Editors' suggestion & Featured in Physics]杂志上。为了进一步避免磁子阀内部两个界面处磁子流与自旋流之间的转换,减少磁子流的损耗,该课题组又构建了由磁性绝缘体FMI和反铁磁绝缘体(AFMI=AFI)构成的完全电绝缘的FMI/AFI/FMI磁子结(如YIG/NiO/YIG)。这种由磁子充当唯一信息输运载体的磁子结器件,不仅可以实现磁子阀对磁子流的100%开关比,还可以作为调控纯磁子流的磁子晶体管的基本单元[C. Y. Guo, C. H. Wan, X. F. Han, et al. PRB 98 (2018) 134426]。

  为了实现低功耗磁子器件的信息传输与读取,韩秀峰课题组进一步采用磁电阻方法取代热电输运方式(自旋塞贝克效应)来读取磁子结的磁结构变化,即在磁子结YIG/NiO/YIG/Pt顶层Pt层中施加一个小的电流,观测发现Pt中电阻不仅取决于与Pt直接接触的顶部磁性绝缘体YIG层的磁矩方向(正常自旋霍尔磁电阻效应),而且还取决于磁子结另一侧底部磁性绝缘体YIG层的磁矩方向。这是因为两层YIG磁矩排列方式的不同(平行或反平行),会导致磁子结等效磁子电导(磁子流)的差异,从而影响从Pt层注入到磁子结中的自旋流(磁子流)大小。这一新奇自旋量子效应被命名为磁子非局域自旋霍尔磁电阻(Magnonic nonlocal spin Hall magnetoresistance, MNSMR)效应以反映其磁子输运本质。相关工作已经发表在《自然 电子学》[A nonlocal spin Hall magnetoresistance in a platinum layer deposited on a magnon junction. NATELECTRON-19082102A, DOI: 10.1038/s41928-020-0425-9]杂志上。由于磁子结内部没有电荷输运,因而不产生焦耳热,可以消除磁子结的热能耗。

  上述磁子異質結(磁子發生器)、磁子閥、磁子結及其磁子非局域自旋霍爾磁電阻效應的發現,爲今後系統構建消除焦耳熱的磁子型器件和磁子型電路探索了一條全新的技術途徑。

  该项新进展中,物理所博士生郭晨阳同学和万蔡华副研究員为共同第一作者,韩秀峰研究員为通讯作者。亚利桑那大学的张曙峰教授和同济大学的刘要稳教授参与了该项合作研究。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院有关项目的经费支持[NSFC 51831012; MOST 2017YFA0206200, 2016YFA0300802; XDB07030200, QYZDJ-SSW-SLH016, 112111KYSB20170090]。

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图1. (a),(b)平行态和反平行态YIG/NiO/YIG/Pt异质结及非局域自旋霍尔磁电阻效应(MNSMR)示意图。磁子在整个全绝缘磁子结中的非局域传播影响着接触金属Pt层中的电子传导。MNSMR效应总体表现为:平行态的电阻低,反平行态的电阻高。图(c-d)为在磁子结顶层Pt中探测到的自旋霍尔磁电阻(d)图中蓝线为局域的自旋霍尔磁电阻,红线为MNSMR)。