磁性存储和磁逻辑等自旋电子学器件的核心在于自旋信息的传递,特别是自旋信息的产生、操控和探测是自旋电子学领域的一个基本问题。现有的自旋电子学中自旋信息主要依赖金属中的传导电子,一个非常有趣的问题是,是否有其他粒子甚至是准粒子可以作为自旋信息的载体?作为铁磁体中低能激发态的准粒子:磁子,是一种玻色子,并且一个量子化的磁子携带一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通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信息的输运而没有电荷的输运,从而可以显著的降低器件的功耗。
2012年,美国亚利桑那大学的张曙丰教授团队从理论上预测了在重金属/铁磁绝缘体/重金属(HM/MI/HM)三明治结构中,存在着磁子辅助的电流拖拽现象。
其中一侧重金属中的电流由于自旋霍尔效应在HM/MI界面产生自旋积累,通过HM中传导电子和MI中局域磁矩之间的s-d电子之间的交换相互作用,可以激发MI中的磁子,磁子在MI中扩散形成磁子流,磁子流传递到另一侧的HM中转换成自旋流,该自旋流通过逆自旋霍尔效应从而可以在另一侧的HM中产生电流。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)--磁学国家重点实验室M02课题组韩秀峰研究员领导的研究团队,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(TEM)和高角环形暗场像(HAADF)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(VSM)和铁磁共振吸收谱(FMR)表明该样品室温下具有较强的磁性和较低的阻尼系数。
M02课题组通过与张曙丰教授团队合作,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。
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做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。