中科院半导体所发现亚铁磁自旋调控新机理—往事—迷信网

自旋电子器件是中科自旋处置后摩尔时期信息迷信“存储墙”等瓶颈的紧张选项。作为新道理器件，院半自旋电子器件若何经由新质料以及新道理快捷突破功能极限成为兵临城下。导体调控近些年来，所发事迷亚铁磁以及共线反铁磁等反铁磁耦合质料因其超快自旋能源学（~THz）以及低退磁场特色成为自旋电子学规模的现亚新机信网明星质料，人们暗自期待接管亚铁磁以及反铁磁质料睁开出优于铁磁的铁磁自旋存储器。可是理往，反铁磁耦合质料事实若何与自旋流相互熏染、中科自旋是院半否作为低势垒信息存储介质、是导体调控否实现高效自旋调控等根基迷信下场仍缺少定论。另一方面，所发事迷钻研职员已经普遍以为自旋调控是现亚新机信网自旋电子器件适用化的异曲同工，而最具排汇力的铁磁自旋调控方式为自旋轨道矩（Spin-orbit torque）。自2011年被试验发现以来，理往自旋轨道矩被以为是中科自旋一种“界面”角动量转移效应，即自旋流将角动量从电子或者磁振子等载流子经由交流耦合转移给磁性质料界面，并以简直“无穷大”速率弛豫的物理效应。因此，自旋轨道矩效应被以为与磁性质料外部的性子无关，即不论磁性质料导电性、自旋轨道耦合强弱、饱以及磁矩巨细、致使厚度等无关。这种情景下，对于自旋霍尔金属/磁性质料系统，自旋轨道矩功能（）仅由自旋霍尔金属自旋霍尔比（θSH）以及界面自旋透过率（Tint）抉择，即 

最近，中科院半导体所半导体超晶格国家重点试验室的朱礼军钻研员以及美国康奈尔大学Daniel C. Ralph教授相助，克制了一系列技术难题，初次实现为了对于自旋霍尔金属/亚铁磁异质结中自旋输运以及弛豫行动的精准定量钻研。如图1所示，亚铁磁质料是具备两套反平行部署磁性子晶格的特殊质料，在两套磁性子晶格磁性残缺抵偿时成为共线反铁磁，而在其中一套子晶格主导时趋向于铁磁。因此，反铁磁质料具备极强的可调控性，是探究反铁磁耦合相关新物理、新效应的事实质料平台。该使命发现统一自旋流施加的自旋轨道矩随着亚铁磁层中磁性抵偿快捷变更并在挨近磁矩抵偿点时逐渐减小为零！这一本征物理行动可能清晰为：在抵偿点临近，经由自旋-磁矩交流相互熏染的自旋弛豫速率（τM^-1，可类似地以为正比于饱以及磁矩Ms巨细）变患上远远小于经由自旋轨道散向晶格弛豫的速率（τso^-1，正比于自旋轨道耦合强度ζso以及电子动量散射速率τe^-1的乘积），导致自旋流主要经由晶格自旋轨道散射弛豫而不退出自旋轨道矩的发生历程。这一服从不能演绎于界面自旋透过率的变更，由于自力的自旋泵浦试验表明亚铁磁金属界面的自旋混合电导（Spin-mixing conductance）以及3d 铁磁金属同样高且对于磁性抵偿不敏感。这些钻研服从清晰地揭示了差距自旋弛豫机理之间的相助对于自旋轨道矩巨细的关键抉择熏染，也象征着“界面自旋扭矩”意见在亚铁磁以及反铁磁系统中失效。 

该物理机理是自自旋霍尔效应（Spin Hall effect）、界面自旋透过率 (Interfacial spin transparency) 之后的又一紧张发现，从根基层面补齐了自旋轨道矩的根基物理框架，将自旋轨道矩的通用公式从方程（1）拓展为 

因此，当自旋轨道散射可漠视不计时，自旋轨道矩功能在非零τM^-1情景下为不随质料饱以及磁矩变更的常数；而当自旋轨道散射不可漠视时自旋轨道矩功能可能随饱以及磁矩或者τM^-1的减小而减小 （见图2）。 

这一拓展的自旋轨道矩物理图像不光为文献报道的铁磁、亚铁磁以及反铁磁耦合系统中千差万离奇使让人费解的自旋轨道矩天气提供了不同的物理清晰，同时也预言了自旋轨道矩器件可能经由优化磁性质料自旋弛豫机理后退能效。 

该机理也象征着残缺抵偿的亚铁磁以及欠缺的共线反铁磁并不适协作为自旋信息存储介质。从自旋扭矩器件运用角度，很长的自旋退相关长度象征着该磁性介质与自旋流的相互熏染功能极低，因此是一个致命缺陷而非配合优势。 

该使命以“Strong Variation of Spin-Orbit Torque with Relative Spin  Relaxation Rates in Ferrimagnets”为题在线宣告在国内期刊Nature Co妹妹unications，朱礼军钻研员为第一作者以及通讯作者。该使命患上到了科技部、国家做作迷信基金委以及中科院的经费反对于。 

论文全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37506-9。 

图1. 铁磁（ferromagnet）、亚铁磁（ferrimagnet）以及反铁磁（antiferromagnet）的磁晶格展现图。 

图2.自旋轨道矩随相对于自旋弛豫速率的变更关连。 (a) 差距自旋弛豫历程的相助：交流相互熏染与自旋轨道散射。(b) 自旋轨道散射可漠视以及不可漠视天气下，特定系统的自旋轨道矩功能随自旋-磁矩交流相互熏染的自旋弛豫速率（τM-1）的变更关连。(c) Pt0.75Ti0.25/FexTb1-x 双层膜中自旋轨道矩功能随Ms/ζsoτe-1 （ α相对于弛豫速率）的变更关连. (d) 相同电荷电导率下，Pt基重金属发生的自旋流施加给亚铁磁Co0.65Tb0.35的自旋轨道矩强度仅为施加给3d铁磁Co的58%。