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中国科学院物理研究所 M07组供稿 第15期 2013年04月22日
北京凝聚态物理国家研究中心
Pt薄膜磁近邻效应研究取得新进展
   自旋电子学的发展依赖于对电子自旋状态进行有效调控。除传统的磁场调控手段外,自旋极化电流、自旋流产生的自旋转移力矩效应是对自旋电子材料的自旋动力学行为进行调控的重要手段,尤其是后者,因为不产生焦耳热,是发展未来自旋电子器件的关键技术之一。目前,已有多种方法可以产生纯自旋流,如自旋霍尔效应、介观横向自旋阀(lateral spin valve)的非局域自旋注入、铁磁共振自旋泵浦(spin pumping)、自旋塞贝克效应等,同时,各种新的自旋电子原型器件纷纷涌现,如自旋流驱动自旋转移力矩器件、自旋流晶体管,甚至自旋电子学的新分支——自旋热电子学(spin caloritronics)也于近年被提出。纯自旋流无法直接通过电测量方式探测,但在非磁材料中的纯自旋流,由于自旋-轨道作用,在垂直于自旋流和自旋取向的横向方向产生电荷积累,即所谓逆自旋霍尔效应,由此开启了电探测自旋流的新钥匙。Pt由于具有大的自旋-轨道耦合,表现出大的自旋霍尔角,在自旋塞贝克效应甚至包括关于自旋泵浦在内的许多实验中,被广泛用作自旋流的探测器。作为自旋流探测器的非磁薄膜,其基本要求是非磁层自身不能拥有磁性。但是,美国霍普金斯大学C. L. Chien研究组指出,生长于绝缘磁体YIG上的Pt薄膜表现出磁的输运特性,导致其中多重物理效应的纠缠,Pt的磁近邻效应成为问题的关键。
   众所周知,Pt(以及Pd)的电子能带几乎快要满足巡游铁磁性的Stoner判据,在金属铁磁体(Fe、Co、Ni)邻近的Pt、Pd原子,容易产生磁矩和长程铁磁有序,乃所谓磁近邻效应的典型代表。Pt在磁性绝缘体YIG上是否也真的存在诱导磁性缺少直接实验证据。中科院物理研究所M07组蔡建旺研究员与博士生卢玉明,在该组近年相关领域的研究工作基础上,与美国Argonne国家实验室Y. Choi博士、Johns Hopkins大学C. L. Chien研究组等合作,成功给出了Pt被磁性绝缘体诱导出显著铁磁磁矩的直接实验结果,他们除确认Pt的非常规的反常霍尔效应与各向异性磁电阻外,发现Pt电子结构直接关联的物理量,正常霍尔系数、电阻率受到绝缘磁性层的强烈调制。相关工作发表在近期出版的Physical Review Letters 110, 147207 (2013)上。该工作得到科技部“973”项目和国家自然科学基金的资助。

   相关工作链接:
   http://prl.aps.org/pdf/PRL/v110/i14/e147207
图1. YIG/Pt(1.5 nm)样品在室温和低温下(a)同步辐射x射线Pt的L3L2吸收谱(XAS)归一化结果;(b) 对应面内外磁场±500 Oe对应的XMCD信号。插图为Pt的L3边在低温时XAS的一阶微分和XMCD信号的对照图,其中XMCD信号标示了测量误差。
图2. (a) YIG/Pt(1.5 nm)样品在室温和低温时的纵向和横向磁电阻曲线;(b) 与 (c)为YIG/Pt(4 nm)样品在室温下的磁电阻曲线和对应的反常能斯特效应;(d) YIG/Pt样品在室温和低温下的各向异性磁电阻随Pt薄膜厚度的变化。插图(d)为YIG/Pt(1.5 nm)样品在室温时的电阻率随外面内磁场(8 kOe)方向的变化,插图中实线为角度的余弦函数的平方的拟合结果。
图3. (a) 样品YIG/Pt(1.5 nm)和YIG/Pt(4 nm)的各向异性磁电阻随温度的变化;生长于YIG薄膜上和直接生长于GGG衬底上的不同厚度的Pt薄膜的(b)电阻率与(c)正常霍尔系数分别随温度变化的对比结果。
下载附件>> Pt Magnetic Polarization on Y3Fe5O12 and Magnetotransport Characteristics
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