Wsz6868 / 科技、情报 / 基于面自旋的有效磁场的表达 - -转向垂...

分享

   

基于面自旋的有效磁场的表达 - -转向垂直磁化膜的高效磁化反转-

2021-11-24  Wsz6868

由理化学研究所(理研)创发物性科学研究中心量子纳米磁性小组的近藤浩太高级研究员、大谷义近小组组长(东京大学物性研究所教授)、东京大学研究生院理学系研究科物理学专业的中辻知教授、肥后友也特任副教授、东京大学物性研究所的富田崇弘特任助教等国际共同研究小组,使用拓扑反铁磁性体[1]Mn3Sn(Mn :锰,Sn :锡]单晶薄壁体表面蓄积的面正交自旋[面正交自旋蓄积],成功地产生了有效磁场[场转矩[2]:FL转矩]。 根据本研究成果,今后利用拓扑磁性材料作为自旋扭矩[2]源,有望实现高速且省电的自旋电子学[3]器件的设计开发。 此次,国际联合研究小组制作了由拓扑反铁磁性体Mn3Sn单晶薄膜和铁磁性体薄膜组成的自旋电子元件,调查了来自Mn3Sn表面自旋积累的自旋扭矩。 结果表明,此前理论预言的面直自旋积累将像磁场一样(场干)工作。 并且发现由此产生的FL扭矩比铂等过渡金属大数倍。 本研究将刊登在科学杂志《国家通信》在线版( 11月18日:日本时间11月18日)上。

拓扑反铁磁材料Mn3Sn中电流引起的自旋积累

※国际共同研究小组 理化学研究所创发物性科学研究中心 量子纳米磁性研究小组 高级研究员 近藤浩太 大谷义近 团队领导 (东京大学物性研究所教授) 东京大学研究生院理学系研究科物理学专业 教授 中辻知 特任副教授 肥后友也 冨田崇弘 阿兰·麦当劳( Allan H. MacDonald ) 法琴(华臣) 东京大学物性研究所 特任助教 德克萨斯大学奥斯汀分校 教授 科罗拉多大学 助理专业人员

※国际共同研究小组 理化学研究所创发物性科学研究中心 量子纳米磁性研究小组 高级研究员 近藤浩太 大谷义近 团队领导 (东京大学物性研究所教授) 东京大学研究生院理学系研究科物理学专业 教授 中辻知 特任副教授 肥后友也 冨田崇弘 阿兰·麦当劳( Allan H. MacDonald ) 法琴(华臣) 东京大学物性研究所 特任助教 德克萨斯大学奥斯汀分校 教授 科罗拉多大学 助理专业人员

研究支援 本研究, 科技振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业小组研究( CREST )“基于拓扑材料科学的具有创新功能的材料器件的创造(研究总结:上田正仁)”研究领域的研究课题“利用电子结构的拓扑开发功能性磁性材料和器件(研究代表:辻中知) 在“实现三重奏传感器时代的超高度信息处理的创新性元件技术(研究代表:中辻知)”中的研究课题“创立自旋电子学光电接口的基础技术”的支持下进行。

1 .背景 当电流流过顺磁性重金属和铁磁金属的双层器件时,顺磁性重金属的自旋霍尔效应[4]会在界面上积累自旋。 该电流产生的自旋积累效果对邻接的磁性体施加转矩(旋转的力),可以控制性良好地反转磁化方向,因此成为自旋电子器件的驱动原理中的重要现象之一。 在迄今为止的研究中,通过利用铂等自旋轨道相互作用[5]强过渡金属的自旋空穴效应和拓扑绝缘体[6]等特殊表面状态的埃德尔斯坦效应[7],证实了电流引起的磁化控制。 另外,为了实现更省电的磁化控制,以高效的电流自旋转换现象为目标,正在继续进行验证实验。 另一方面,在这种以往的自旋孔效应中,原理上蓄积在界面上的自旋的方向(极化方向)固定在膜面内。 因此,已知其最不适合应用上重要的垂直磁化膜的磁化反转。 因此,国际共同研究小组着眼于近年来发现的“拓扑反铁磁性体”中的自旋-霍尔效应。 到目前为止,该组中该材料的自旋孔效应与以往不同,是通过改变拓扑反铁磁性体的微小磁化方向(磁八极子[8]的方向)来控制蓄积在表面的自旋的极化方向的“磁自旋孔效应[4]” 并且,从理论上预测了自旋积累在面垂直方向上的极化。 在这次的实验中,我们着眼于该面直自旋积累,通过实验明确了会对邻接的磁性体施加怎样的转矩。

2 .研究方法和成果 国际联合研究小组利用聚焦离子束将拓扑反铁磁性体Mn3Sn(M n :锰,Sn :锡)单晶加工成微米尺寸的薄体,在其上成膜强磁性体NiFe合金( Ni :镍,Fe :铁),制作自旋电子元件(图1a、b )。 由于表征该拓扑反铁磁性体的磁八极子的方向可以使用小的外部磁场旋转,因此可以详细调查与外部磁场的施加方向对应变化的自旋的极化方向。 电流沿该元件的面内方向流动时,通过磁自旋孔效应,自旋在Mn3Sn表面蓄积,转矩作用于邻接的铁磁性体的磁化。 该转矩的大小可以通过自旋转矩强磁性共振法[9]进行测量。 因此,在Mn3Sn的磁八极子方向不同的条件下,进行了自旋扭矩铁磁谐振实验。 结果表明,在Mn3Sn中流过直流电流时,根据磁八极子的方向,会出现面垂直方向的有效磁场(场转矩: FL转矩) (图1c、d )。 这表示积累在表面的自旋像磁场一样工作,而且由于Mn3Sn的磁化反转,面直自旋分量发生了反转。


图1依赖于1 Mn3Sn磁化方向的自旋积累和有效面直磁场 ( a,b )面内磁场角度为-45度和+135度时的自旋积累的面直分量。 ( c,d )基于直流电流的有效磁场的检测。 通过磁八极子的方向反转,有效磁场反转。 另外,比较自旋扭矩·强磁共振光谱的面内磁场角度依赖性和理论模型时,与面直自旋产生的FL扭矩大小相同,面内极化的自旋(面内自旋)产生的自旋传递扭矩[2] (ST扭矩)也共存 由此可知,如果在面内旋转Mn3Sn的磁八极子的方向,则表面蓄积的自旋的极化方向从面正上方变化为下方(图2 )。 另外还发现,这些转矩比以往使用铂等过渡金属时大5~9倍左右。


图2自旋积累方向和自旋扭矩随磁八极子角度的变化 在这次试样中,由于面内方向的外部磁场,Mn3Sn和强磁性体( Ni-Fe :面内磁化膜)的磁化都反转,因此自旋传递转矩( ST转矩)和场转矩( FL转矩)引起的面内转矩相互抵消 通过独立进行磁化控制,有望发挥更有效率的面内转矩。 另外,在垂直磁化膜的情况下,由于面垂直方向的转矩没有被抵消,因此对铁磁性层的磁化有效地施加转矩。 而且,通过面直自旋产生的FL转矩,也有望实现更高速的磁化反转。

3 .今后的期待

 本成果表明,拓扑反铁磁材料是控制磁性材料磁化方向的自旋扭矩源的有用材料。 今后,在自旋电子器件中,通过使用拓扑磁性材料,实现高速且省电的自旋电子器件的研究可望得到发展。

4 .论文信息

 <标题>

Giant field-like torque by the out-of-plane magnetic spin Hall effect in a topological

antiferromagnet

<作者名>

K. Kondou*, H. Chen, T. Tomita, M. Ikhlas, T. Higo, A. H. MacDonald, S. Nakatsuji, and

Y. Otani

<杂志>

Nature Communications

DOI

10.1038/s41467-021-26453-y


5 .补充说明 [1]拓扑反铁磁体 在近年来发现的拓扑反铁磁性体Mn3X(X=Sn,Ge )中,Mn原子排列在三角晶格(戈麦斯晶格)上,各个自旋各倾斜120度进行配置。 因此,净磁化成为非常小的反铁磁性体。 但是,由于动量空间具有特殊的电子状态,可知尽管是反铁磁性体,却出现了在异常霍尔效应和能斯特效应等铁磁性体中看到的宏观响应。 这一特长被认为在研究近年来以超高速驱动为目标的反铁磁性自旋学方面非常有用。 [2]现场转矩、自旋转矩、自旋传递转矩 蓄积在物质表面的自旋能够施加用于控制邻接的磁性体的磁化方向的转矩(自旋转矩)。 该自旋扭矩包括两种,一种是传递自旋角动量的自旋传递扭矩,另一种是自旋作为有效磁场发挥作用的场转矩。 通过有效地生成并组合这些转矩,可以进行高效且高速的磁化控制。 [3]自旋电子学 扩展利用电子电荷性质的电子学概念,利用电子所具有的电荷和自旋两种性质的电子学领域。 有望提供新一代省电非易失性电子元件的工作原理。 [4]自旋孔效应、磁自旋孔效应 在铂等自旋轨道相互作用强的过渡金属中,可以引起电流和自旋流的相互转换。 由于在与施加的电流正交的方向上生成自旋流,因此该变换现象被称为自旋-霍尔效应,通过该效应生成的自旋的极化方向总是与电流正交的方向。 另一方面,在近年来发现的磁自旋孔效应中,生成的自旋的极化方向依赖于磁性材料的磁化方向而变化。 由此,期待着比以往更高效的磁化控制。 [5]自旋轨道相互作用 在物质中,电子运动和电子自旋运动相结合的相互作用,是缓和自旋信息的原因。 另一方面,在自旋轨道相互作用较强的过渡金属中,由于是电流自旋流相互转换的自旋霍尔效应的起源,因此被认为是使自旋电子学功能得以发挥的重要相互作用。 [6]拓扑绝缘体 具有尽管物质内部是绝缘体,但只有物质表面是金属性质的新材料。 在该表面,由于表现出电子自旋的极化方向依赖于电子的运动方向而决定的自旋动量锁定的状态,因此可以高效地检测自旋流的生成。 [7]爱德斯坦效应 在空间反转对称性被破坏的物质中,通过自旋轨道相互作用表现出自旋动量摇摆状态。 通过在这里流过电流而产生自旋积累的现象。 [8]磁八极子 Mn3Sn的磁化方向可以捕捉为将配置在两个戈薇晶格上的六个自旋作为一个单元来考虑的簇磁八极子的方向。 该方向是与Mn3Sn的will点和虚拟磁场的方向对应的参数,因此通过控制磁八极子的方向,能够使异常霍尔效应等符号反转。 此次Mn3Sn的磁自旋空穴效应可以说是依赖于磁八极子方向的自旋积累效应。 [9]自旋转矩铁磁共振法 观测铁磁金属/顺磁性重金属等多层膜结构中顺磁性重金属中的电流自旋转换现象的方法。 由顺磁性重金属的自旋霍尔效应和埃德尔斯坦效应生成的自旋蓄积在铁磁性金属/顺磁性重金属界面。 由于该自旋积累能够向邻接的铁磁性体的磁化赋予自旋扭矩,因此可以通过分析铁磁性体共振光谱,定量评价扭矩的大小。

6.演讲者机关窗口

<演讲者> 理化学研究所创发物性科学研究中心 量子纳米磁性研究小组 高级研究员 近藤浩太 大谷义近 团队领导 (东京大学物性研究所教授) 近藤浩太 大谷义近 东京大学研究生院理学系研究科物理学专业 教授 中辻知 

 特任副教授 肥后友也 东京大学物性研究所 特任助教 冨田崇弘


<机关窗口> 理化学研究所宣传室新闻负责人

E-mailex-press[at]riken.jp

东京大学研究生院理学系研究科理学部宣传室 03-5841-8856

E-mailkouhou.s[at]gs.mail.u-tokyo.ac.jp

东京大学物性研究所宣传室 04-7136-3207

E-mailpress[at]issp.u-tokyo.ac.jp

科学技术振兴机构宣传科 03-5214-8404传真: 03-5214-8432

E-mailjstkoho[at]jst.go.jp

<关于JST事业的事情> 科技振兴机构战略研究推进部绿色创新集团 岛林裕子 03-3512-3531传真: 03-3222-2066

E-mailcrest[at]jst.go.jp

※请将上述[at]替换为@

――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>