反鐵磁自旋霍爾效應(yīng)——局域空間反演破缺之美

自旋霍爾效應(yīng)是產(chǎn)生純自旋流的一種重要途徑，作為自旋電子學(xué)的核心之一，已經(jīng)在高密度信息存儲(chǔ)和高靈敏度磁傳感等器件得到應(yīng)用。一旦自旋流的產(chǎn)生與磁化方向相關(guān)（磁自旋霍爾效應(yīng)），這將使得自旋流的控制得到極大的便利。反鐵磁材料因其不會(huì)產(chǎn)生靜磁耦合、內(nèi)稟頻率高（太赫茲頻段）和抗外磁場(chǎng)干擾等優(yōu)勢(shì)，在超快、超高密度信息存儲(chǔ)和高頻電子器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。如果能通過(guò)操控反鐵磁磁矩來(lái)調(diào)控其自旋霍爾效應(yīng)，不僅可以豐富自旋霍爾效應(yīng)的物理內(nèi)涵，還可能為構(gòu)建超快、超高密度、低功耗的信息存儲(chǔ)器件提供新的契機(jī)。

清華大學(xué)功能薄膜材料研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年努力，在具有局域空間反演對(duì)稱(chēng)性破缺的線性反鐵磁Mn2Au薄膜中（不存在時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)破缺），成功觀察到反鐵磁自旋霍爾效應(yīng)。相關(guān)結(jié)果2021年2月25日在線發(fā)表于《自然?材料》，清華大學(xué)材料學(xué)院為第一完成單位，新加坡國(guó)立大學(xué)、蘭州大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)和香港科技大學(xué)等單位共同協(xié)作完成。

圖1. 通過(guò)反鐵磁自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生面外自旋極化的自旋流的機(jī)理圖。 當(dāng)電流沿著反鐵磁磁矩方向時(shí)，由反鐵磁磁矩M決定的載流子自旋與局域空間反演破缺誘導(dǎo)的自旋軌道場(chǎng)H相垂直而發(fā)生相互作用，從而向面外進(jìn)動(dòng)（–M×H），產(chǎn)生面外的自旋極化。由于Mn2Au的亞晶格局域?qū)ΨQ(chēng)性破缺（H與M在兩個(gè)亞晶格中均反向），該自旋極化在兩個(gè)相鄰的亞晶格上正好疊加?？梢岳斫鉃椋瑏喚Ц窨臻g反演破缺與反鐵磁磁矩的共同作用產(chǎn)生了凈面外自旋極化。這一過(guò)程不需要打破時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性。

圖2. 利用自旋扭矩-鐵磁共振表征面外自旋極化和采用電學(xué)方法操控反鐵磁磁矩及相關(guān)的面外自旋極化。 通過(guò)自旋扭矩-鐵磁共振（ST-FMR）技術(shù)揭示了在Mn2Au中面外和面內(nèi)自旋極化的自旋流共存。在前期工作的基礎(chǔ)上（X. Z. Chen, et al., Nature Materials, 18 (2019) 931；X. F. Zhou, et al., Physical Review Applied, 9 (2018) 054028），采用來(lái)自鐵電基片的鐵彈應(yīng)變或電流驅(qū)動(dòng)Mn2Au薄膜的反鐵磁磁矩在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使反鐵磁磁矩方向傾向垂直于電流方向，此時(shí)面外自旋極化被極大削弱。反之，如果磁矩傾向于平行電流方向，面外自旋極化會(huì)得到增強(qiáng)，進(jìn)而達(dá)到通過(guò)操控反鐵磁磁矩來(lái)調(diào)控自旋霍爾效應(yīng)的效果。

圖3. Mn2Au/鐵磁體系的零場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。 當(dāng)電流與面內(nèi)磁化易軸平行時(shí)，電流驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn)將具有高速度的優(yōu)勢(shì)，而垂直易磁化體系有利于高密度和低功耗信息存儲(chǔ)。因此實(shí)現(xiàn)上述兩種構(gòu)型的電流誘導(dǎo)的零場(chǎng)翻轉(zhuǎn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在所獲得的面外自旋極化與常規(guī)的面內(nèi)自旋極化的協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)了與Mn2Au相鄰鐵磁層（面內(nèi)易磁化或者垂直易磁化薄膜）的零場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。此外，由于面外自旋極化的自旋流被認(rèn)為是提高垂直易磁化薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)效率的有效途徑，當(dāng)前的研究結(jié)果有望成為提高第三代磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（SOT-MRAM）工作效率的一種方案。 該工作基于Mn2Au的局域空間反演對(duì)稱(chēng)性破缺，觀察到面外自旋極化的自旋流，發(fā)現(xiàn)了反鐵磁自旋霍爾效應(yīng)，即可以通過(guò)操控反鐵磁磁矩來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋流的有效調(diào)控。利用所獲得的面外自旋極化，實(shí)現(xiàn)了與Mn2Au相鄰鐵磁層的零場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。

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