自旋电子学Natrue:反铁磁氧化铁中的可调长程自旋输运

【引言】

自旋电子学是基于自旋输运的新兴科学技术。所谓自旋其实是电子的内禀角动量，与质量、电荷一样是电子自身固有性质。电子自旋输运被认为与传统电子器件中电子电荷输运相类似，也可作为载体用于信息传输，根据自旋转移这一特性设计开发的新型电子器件可有望作为现有电子器件的升级替代产品。类似于电流，通过自旋霍尔效应电子发生特定的偏转，从而产生自旋流（Spin current）。自旋流作为自旋信息传输的核心，是发展基于自旋计算器件的关键。近年来，研究人员发现在铁磁绝缘体中可通过温度梯度驱动自旋的定向运动，从而产生自旋流及其长程输运（Long-distance transport）现象。相较于铁磁绝缘体，反铁磁性有序材料具有零净磁矩的特点，是应用于自旋电子学器件的理想材料。然而，反铁磁体中自旋输运现象的直接观测目前只限于几个纳米的范围，严重制约了相关材料的发展。

【成果简介】

近日，德国美因茨大学的R. Lebrun以及M. Klaui（共同通讯作者）等人在反铁磁绝缘体赤铁矿（α-Fe₂O₃）单晶中利用自旋霍尔效应展示了自旋流的长程传播行为。首先研究人员将电流通过赤铁矿单晶上的铂丝，一方面可以引发自旋霍尔效应产生横向自旋流，驱动自旋在铂-赤铁矿界面累积，这一累积富集过程能够进一步产生带有净角动量的自旋流。另一方面，通过铂丝的电流还能使得铂丝产生焦耳热引发横向温度梯度变化，从而可根据自旋塞贝克效应产生自旋流。这两种自旋流及其自旋电压最终共同构成了非本地电压（non-local voltage），可通过逆自旋霍尔效应进行检测。基于以上策略，研究人员通过计算测量发现赤铁矿这一简单反铁磁绝缘体传输自旋信息的距离可达到微米级别，与复杂铁磁体一样高效。2018年9月12日，相关成果以题为“Tunable long-distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide”在线发表在Nature上。

【图文导读】

图1 绝缘反铁磁体中的自旋输运

(a)由铂丝与赤铁矿单晶组成的实验器件平台及其产生自旋流示意图。利用自旋霍尔效应，左边铂-赤铁矿界面发生自旋积累现象，打破反铁磁对称性。通过将角动量转移到反铁磁体，这一对称性的破坏进一步激发了磁子扩散到右边铂丝处，在此自旋流通过逆自旋霍尔效应被吸收和检测。

(b)实验器件的扫描电子显微图像

图2 200K温度下铂丝沿x轴的自旋输运

(a)当磁场（沿着x轴）与铂丝方向平行时，非局域电阻与磁场强度的关系

(b)当磁场（沿着y轴）与铂丝方向垂直时，非局域电阻与磁场强度的关系

图3 200K温度下铂丝沿y轴的自旋输运

(a)当磁场（沿着x轴）与铂丝方向垂直时，非局域电阻与磁场强度的关系

(b)当磁场（沿着y轴）与铂丝方向平行时，非局域电阻与磁场强度的关系

图4 200K温度下自旋信号电阻和扩散长度的关系

当磁场强度为矫顽磁场强度（铂丝沿着x轴，以蓝线表示）或者低磁场强度（H_x=2T，铂丝沿着y轴，以红线表示）时，信号存留可以达到数十微米级别。

【小结】

该项研究利用外源磁场调节反铁磁共振频率，可以控制通过赤铁矿-铂界面的自旋流流动，从而深入研究了反铁磁绝缘体中自旋输运的机制。在矫顽磁场强度和小外加场（small applied fields）时测量得到的自旋扩散长度分别可达到6±1微米和9±2微米，比已有报道的反铁磁-铁磁多层的扩散长度高了2个数量级。这一z成果为制备可在室温下操作的基于反铁磁绝缘体的自旋-逻辑器件奠定了基础。

文献链接：Tunable long-distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0490-7）

本文由材料人学术组NanoCJ供稿，材料牛编辑整理。

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