自旋電子學Natrue:反鐵磁氧化鐵中的可調長程自旋輸運

【引言】

自旋電子學是基于自旋輸運的新興科學技術。所謂自旋其實是電子的內稟角動量，與質量、電荷一樣是電子自身固有性質。電子自旋輸運被認為與傳統電子器件中電子電荷輸運相類似，也可作為載體用于信息傳輸，根據自旋轉移這一特性設計開發的新型電子器件可有望作為現有電子器件的升級替代產品。類似于電流，通過自旋霍爾效應電子發生特定的偏轉，從而產生自旋流（Spin current）。自旋流作為自旋信息傳輸的核心，是發展基于自旋計算器件的關鍵。近年來，研究人員發現在鐵磁絕緣體中可通過溫度梯度驅動自旋的定向運動，從而產生自旋流及其長程輸運（Long-distance transport）現象。相較于鐵磁絕緣體，反鐵磁性有序材料具有零凈磁矩的特點，是應用于自旋電子學器件的理想材料。然而，反鐵磁體中自旋輸運現象的直接觀測目前只限于幾個納米的范圍，嚴重制約了相關材料的發展。

【成果簡介】

近日，德國美因茨大學的R. Lebrun以及M. Klaui（共同通訊作者）等人在反鐵磁絕緣體赤鐵礦（α-Fe₂O₃）單晶中利用自旋霍爾效應展示了自旋流的長程傳播行為。首先研究人員將電流通過赤鐵礦單晶上的鉑絲，一方面可以引發自旋霍爾效應產生橫向自旋流，驅動自旋在鉑-赤鐵礦界面累積，這一累積富集過程能夠進一步產生帶有凈角動量的自旋流。另一方面，通過鉑絲的電流還能使得鉑絲產生焦耳熱引發橫向溫度梯度變化，從而可根據自旋塞貝克效應產生自旋流。這兩種自旋流及其自旋電壓最終共同構成了非本地電壓（non-local voltage），可通過逆自旋霍爾效應進行檢測。基于以上策略，研究人員通過計算測量發現赤鐵礦這一簡單反鐵磁絕緣體傳輸自旋信息的距離可達到微米級別，與復雜鐵磁體一樣高效。2018年9月12日，相關成果以題為“Tunable long-distance spin transport in a crystalline antiferromagnetic iron oxide”在線發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖1 絕緣反鐵磁體中的自旋輸運

(a)由鉑絲與赤鐵礦單晶組成的實驗器件平臺及其產生自旋流示意圖。利用自旋霍爾效應，左邊鉑-赤鐵礦界面發生自旋積累現象，打破反鐵磁對稱性。通過將角動量轉移到反鐵磁體，這一對稱性的破壞進一步激發了磁子擴散到右邊鉑絲處，在此自旋流通過逆自旋霍爾效應被吸收和檢測。

(b)實驗器件的掃描電子顯微圖像

圖2 200K溫度下鉑絲沿x軸的自旋輸運

(a)當磁場（沿著x軸）與鉑絲方向平行時，非局域電阻與磁場強度的關系

(b)當磁場（沿著y軸）與鉑絲方向垂直時，非局域電阻與磁場強度的關系

圖3 200K溫度下鉑絲沿y軸的自旋輸運

(a)當磁場（沿著x軸）與鉑絲方向垂直時，非局域電阻與磁場強度的關系

(b)當磁場（沿著y軸）與鉑絲方向平行時，非局域電阻與磁場強度的關系

圖4 200K溫度下自旋信號電阻和擴散長度的關系

當磁場強度為矯頑磁場強度（鉑絲沿著x軸，以藍線表示）或者低磁場強度（H_x=2T，鉑絲沿著y軸，以紅線表示）時，信號存留可以達到數十微米級別。

【小結】

該項研究利用外源磁場調節反鐵磁共振頻率，可以控制通過赤鐵礦-鉑界面的自旋流流動，從而深入研究了反鐵磁絕緣體中自旋輸運的機制。在矯頑磁場強度和小外加場（small applied fields）時測量得到的自旋擴散長度分別可達到6±1微米和9±2微米，比已有報道的反鐵磁-鐵磁多層的擴散長度高了2個數量級。這一z成果為制備可在室溫下操作的基于反鐵磁絕緣體的自旋-邏輯器件奠定了基礎。

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

本文由材料人學術組NanoCJ供稿，材料牛編輯整理。

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