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北京凝聚态物理国家研究中心
M02组供稿
第74期
2021年10月08日
磁子转移力矩(MTT)效应的实验验证

  自旋力矩为人们利用电学方法高效调控磁矩翻转提供了重要手段。自旋力矩通常通过自旋极化电流或电流经由自旋霍尔效应转化的纯自旋流产生。前者和后者分别命名为自旋转移力矩(Spin Transfer Torque, STT)和自旋轨道力矩(Spin Orbit Torque, SOT)。基于这些手段,学术界和工业界已成功开发出第二代平面磁各向异性和第三代垂直磁各向异性STT-MRAM及第四代SOT-MRAM磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)自旋芯片;而且STT-MRAM已经在规模化试应用。

  自旋波或磁子,即磁有序系统的集体元激发,已被证明可以不借助带电电子的移动而仅利用局域自旋之间的耦合来远距离传输自旋角动量,有望成为自旋信息传输、存储和处理的优良载体。因此,验证磁子是否也具备转移并传递自旋力矩的能力,也成为磁子学和自旋电子学的一个前沿待解难题。尽管已有磁子转移力矩(Magnon Transfer Torque, MTT)纯理论研究的报道,但实验上如何精确验证该效应的存在极具挑战性。实验研究的难度在于如何排除各种非内禀因素对MTT效应的干扰。例如(1) 如何完全排除经典电子自旋流的影响,(2) 如何排除其他非自旋力矩因素(如外加磁场)的干扰,等等。

  最近,888贵宾会娱乐/北京凝聚态物理国家研究中心M02组的博士生郭晨阳、万蔡华副研究员和韩秀峰研究员等人巧妙地设计并制备了具有垂直磁各向异性的Y3Fe5O12/NiO/Pt磁子异质结,并借助自旋力矩驱动的磁矩翻转效应证明了MTT效应的存在。在该结构中,如图1(a)所示,Pt作为具备强自旋轨道耦合作用的重金属材料,通过流经它的电流产生纯自旋流。NiO作为反铁磁绝缘体,可以用于电子自旋流向磁子自旋流的转化,即产生纯磁子流。具有垂直磁各向异性的绝缘体Y3Fe5O12作为磁子流的吸收层,可通过观察其垂直磁矩的变化来判断MTT的存在并评估MTT的大小。Y3Fe5O12和NiO作为绝缘体,可以阻止电子进入其中,因而可以完全排除经典电子自旋流对磁矩翻转的影响;同时,垂直磁化的Y3Fe5O12从对称性上还可以完全排除电流诱导的水平奥斯特磁场使其发生180°确定性翻转的可能性。因此,在该系统中仅有流经反铁磁绝缘体NiO的磁子流可以对磁性绝缘体Y3Fe5O12施加力矩作用、且导致垂直磁矩的翻转,从而明确地验证了MTT的存在。根据自旋力矩驱动垂直磁矩翻转效应的特点来看,如果面内辅助磁场反号,垂直磁矩被自旋力矩驱动翻转的方向亦反号。这是MTT作用于垂直Y3Fe5O12的另一判据。图1(b)中的结果均证实了MTT的存在。

  因此,该项工作从实验上明确无误地确立了磁子转移力矩MTT效应的图像,且表明MTT可用于磁矩的调控及其翻转,这为开发纯磁子存储器和磁子逻辑补齐了此前缺失的电学调控技术和方法。相关工作已发表在《物理评论B》杂志上。[Switching perpendicular magnetization of a magnetic insulator by magnon transfer torque, Phys. Rev. B 104 (2021) 094412].

图1. 磁子转移力矩(MTT)效应的(a)物理图像和(b)实验证明结果。(a) Pt中自旋流转换成NiO中磁子流,再将磁子携带的自旋角动量传递给具有垂直磁矩Y3Fe5O12 (YIG)的原理示意图。(b)利用反常霍尔效应监测MTT驱动磁矩翻转的实测数据。MTT效应驱动垂直磁矩翻转的回线清晰可见,且回线的方向(顺时针或逆时针)随水平辅助磁场的方向反转而反转。这些实验证据证明了MTT效应的存在。