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中国科学院物理研究所 M02组供稿 第4期 2019年01月11日
北京凝聚态物理国家研究中心
基于新型磁子结YIG/NiO/YIG的磁子阀效应
  磁子型器件有望构成继基于电荷流的第一大类半导体/微电子器件和基于自旋极化电流的第二大类自旋极化电子器件之后的基于磁子流的第三大类固态磁子型器件,有望为未来信息科学和技术的可持续发展带来更加广阔的发展空间。
  从物理角度上讲,除了电子这一自旋的载体,其它中子、磁子等粒子或者准粒子也可以携带自旋角动量信息。特别是磁子(即磁激子或磁振子的简称),它可通过铁磁、亚铁磁或反铁磁绝缘体中自旋晶格的元激发获得,并且磁子是电中性的,可以用作理想的信息载体,它有如下优点。首先,磁子的波动性提供了一些基于电子的传统自旋器件无法实现的功能。磁子提供了没有焦耳热的长距离自旋信息传递的新方法,可以避免电荷流产生的焦耳热问题,从而极大地降低自旋器件的功耗。其次,磁子基于自旋波的相干特性和非线性的相互作用,可以产生更为新奇的物理现象和器件应用。对其相位的调制为信息的操控提供了另外一个自由度,从而可以实现非布尔逻辑运算功能。关于磁子自旋输运的研究方兴未艾,甚至一个关于它的新兴学科——磁子学(Magnonics)正在应运而生。磁子型器件除了利用磁子实现数据存储和逻辑运算外,还包括磁子自旋与电子自旋之间的相互转换,从而可以实现新型磁子电路与电子电荷及电子自旋两类传统电路之间的相互集成和功能转换;此外,磁子的量子特性也可以产生其它宏观量子现象,例如自旋超流体和磁子约瑟夫森效应等。
  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室韩秀峰研究员课题组在国际上率先研制出了可用于磁子信息调控的磁子阀(Magnon Valve)和磁子结(Magnon Junction)等磁子型元器件。首先,他们采用能与工业化生产相兼容的磁控溅射技术等方法,通过反复实验优化探索,首选具有室温铁磁性的钇铁石榴石Y3sub>Fe5O12 (YIG)磁性绝缘体作为上下极、非磁性金属Au作为中间层、在GGG衬底上异质外延制备出了高质量的核心结构为磁性绝缘体(MI)/非磁性金属中间层(NM)/磁性绝缘体的磁子阀(MI/NM/MI),并且在该YIG/Au/YIG结构中首次观测到和发现了磁子阀效应(Magnon Valve Effect),即通过两层磁性绝缘层的相对磁化方向取向可以调控磁子流的大小[Hao Wu and X. F. Han et al., Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 097205, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.097205, Editors’ suggestion & Featured in Physics]。
  为了构造完全电绝缘和纯磁子流调控的磁子阀元器件,该团队进一步优选反铁磁绝缘体NiO作为中间层,在国际上又率先成功制备出了核心结构为磁性绝缘层(MI)/反铁磁绝缘层(AFI)/磁性绝缘层(MI)的新型磁子结(MI/AFI/MI),并研究了YIG/NiO/YIG中磁子流的输运性质。通过在磁子结两侧施加温度梯度来激发MI中的磁子流,发现其中一个MI磁性绝缘体层中的磁子流将受到另一个MI层的影响,而且是通过反铁磁绝缘体中磁子流的传递来实现的。通过在顶部重金属Pt层测量穿过磁子结的磁子流,发现测量到的逆自旋霍尔(Inverse spin Hall effect, ISHE)电压取决于两个MI层的磁化相对取向,进而可以产生类比过去磁性隧道结(Magnetic tunnel junction, MTJ)的新型磁子结(Magnon Junction)效应。同时该新型磁子结可以实现比磁子阀更高的开关比。新型磁子结器件,因其对纯磁子流的调控能力,有望成为磁子信息传递和逻辑运算的核心元器件,可以为构建纯磁子电路奠定核心元器件基础。
  该项工作的最新相关研究进展已发表在《物理评论B》上[C. Y. Guo, C. H. Wan & X. F. Han et al., Phys. Rev. B. 98 (2018) 134426]。该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。
  相关链接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.134426
图1. GGG//YIG(100)/NiO(15)/YIG(60 nm) 磁子结的微观结构。(a) 器件TEM截面图;(b) GGG//YIG(100 nm)界面的高分辨TEM图;(c) YIG(100)/NiO(15)/ YIG(60 nm)界面的高分辨界面TEM图;(d) 底层YIG和(e)通过傅里叶变换HRTEM图获得的顶层YIG的选区电子衍射图;(f) 磁子结的自旋塞贝克信号测量布置,磁场方向延x方向。
图2. (a) 磁子结与对比样品(NiO厚度分别为6、8、15、20和30 nm的磁子结样品)的临界翻转磁场随温度的变化关系,该数据是通过自旋塞贝克信号测试;(b) 磁子阀效应的VAP/VP比值随温度的变化关系,插图展示tNiO =6 nm的磁子结在260K的自旋塞贝克信号的探测结果。在反平行状态下此磁子结中的磁子流在一定条件下可以完全关断;(c) 磁子结厚度同lnδ随温度的依赖关系,并得到磁子结中NiO的磁子扩散长度。插图展示NiO中的磁子扩散长度λNiO在150K温度时为4nm左右。
下载附件>> PRB98.134426(2018).pdf
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