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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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物理所在磁子轉(zhuǎn)移力矩效應的實驗驗證研究中獲進展

2021-11-04 物理研究所

【字體：大中小】

語音播報

　　自旋波或磁子，即磁有序系統(tǒng)的集體元激發(fā)，已被證明可以不借助帶電電子的移動而僅利用局域自旋之間的耦合來遠距離傳輸自旋角動量，有望成為自旋信息傳輸、存儲和處理的優(yōu)良載體。因此，驗證磁子是否也具備轉(zhuǎn)移并傳遞自旋力矩的能力，成為磁子學和自旋電子學的前沿待解難題。盡管已有關(guān)于磁子轉(zhuǎn)移力矩（Magnon Transfer Torque，MTT）純理論研究的報道，但實驗上如何精確驗證該效應的存在頗具挑戰(zhàn)性。實驗研究的難度在于如何排除各種非內(nèi)稟因素對MTT效應的干擾。例如：如何完全排除經(jīng)典電子自旋流的影響，如何排除其他非自旋力矩因素（如外加磁場）的干擾等。

　　近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心M02組博士研究生郭晨陽、副研究員萬蔡華和研究員韓秀峰等，巧妙地設(shè)計并制備出具有垂直磁各向異性的Y₃Fe₅O₁₂/NiO/Pt磁子異質(zhì)結(jié)，并借助自旋力矩驅(qū)動的磁矩翻轉(zhuǎn)效應證明了MTT效應的存在。在該結(jié)構(gòu)中，如圖（a）所示，Pt作為具備強自旋軌道耦合作用的重金屬材料，通過流經(jīng)它的電流產(chǎn)生純自旋流。NiO作為反鐵磁絕緣體，可用于電子自旋流向磁子自旋流的轉(zhuǎn)化，即產(chǎn)生純磁子流。具有垂直磁各向異性的絕緣體Y₃Fe₅O₁₂作為磁子流的吸收層，可通過觀察其垂直磁矩的變化來判斷MTT的存在并評估MTT的大小。Y₃Fe₅O₁₂和NiO作為絕緣體，可以阻止電子進入其中，因而可以完全排除經(jīng)典電子自旋流對磁矩翻轉(zhuǎn)的影響；垂直磁化的Y₃Fe₅O₁₂從對稱性上還可以完全排除電流誘導的水平奧斯特磁場使其發(fā)生180°確定性翻轉(zhuǎn)的可能性。因此，在該系統(tǒng)中僅有流經(jīng)反鐵磁絕緣體NiO的磁子流可以對磁性絕緣體Y₃Fe₅O₁₂施加力矩作用、且導致垂直磁矩的翻轉(zhuǎn)，從而明確地驗證了MTT的存在。根據(jù)自旋力矩驅(qū)動垂直磁矩翻轉(zhuǎn)效應的特點來看，如果面內(nèi)輔助磁場反號，垂直磁矩被自旋力矩驅(qū)動翻轉(zhuǎn)的方向亦反號。這是MTT作用于垂直Y₃Fe₅O₁₂的另一判據(jù)。圖（b）中的結(jié)果均證實了MTT的存在。

　　該工作從實驗上確立了磁子轉(zhuǎn)移力矩MTT效應的圖像，并表明MTT可用于磁矩的調(diào)控及其翻轉(zhuǎn)，這為開發(fā)純磁子存儲器和磁子邏輯補齊了此前缺失的電學調(diào)控技術(shù)和方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論B》（Phys. Rev. B, 104 (2021) 094412）上。

　　磁子轉(zhuǎn)移力矩（MTT）效應的（a）物理圖像和（b）實驗證明結(jié)果。（a）Pt中自旋流轉(zhuǎn)換成NiO中磁子流，再將磁子攜帶的自旋角動量傳遞給具有垂直磁矩Y₃Fe₅O₁₂(YIG)的原理示意圖；（b）利用反?；魻栃O(jiān)測MTT驅(qū)動磁矩翻轉(zhuǎn)的實測數(shù)據(jù)。MTT效應驅(qū)動垂直磁矩翻轉(zhuǎn)的回線清晰可見，且回線的方向（順時針或逆時針）隨水平輔助磁場的方向反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn)。這些實驗證據(jù)證明了MTT效應的存在。

　　自旋力矩為人們利用電學方法高效調(diào)控磁矩翻轉(zhuǎn)提供了重要手段。自旋力矩通常由自旋極化電流或電流經(jīng)由自旋霍爾效應轉(zhuǎn)化的純自旋流產(chǎn)生。二者分別命名為自旋轉(zhuǎn)移力矩（Spin Transfer Torque，STT）、自旋軌道力矩（Spin Orbit Torque，SOT）。基于這些手段，學術(shù)界和工業(yè)界開發(fā)出第二代平面磁各向異性、第三代垂直磁各向異性STT-MRAM及第四代SOT-MRAM磁隨機存儲器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）自旋芯片；且STT-MRAM已在規(guī)?；噾?。
　　自旋波或磁子，即磁有序系統(tǒng)的集體元激發(fā)，已被證明可以不借助帶電電子的移動而僅利用局域自旋之間的耦合來遠距離傳輸自旋角動量，有望成為自旋信息傳輸、存儲和處理的優(yōu)良載體。因此，驗證磁子是否也具備轉(zhuǎn)移并傳遞自旋力矩的能力，成為磁子學和自旋電子學的前沿待解難題。盡管已有關(guān)于磁子轉(zhuǎn)移力矩（Magnon Transfer Torque，MTT）純理論研究的報道，但實驗上如何精確驗證該效應的存在頗具挑戰(zhàn)性。實驗研究的難度在于如何排除各種非內(nèi)稟因素對MTT效應的干擾。例如：如何完全排除經(jīng)典電子自旋流的影響，如何排除其他非自旋力矩因素（如外加磁場）的干擾等。
　　近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心M02組博士研究生郭晨陽、副研究員萬蔡華和研究員韓秀峰等，巧妙地設(shè)計并制備出具有垂直磁各向異性的Y3Fe5O12/NiO/Pt磁子異質(zhì)結(jié)，并借助自旋力矩驅(qū)動的磁矩翻轉(zhuǎn)效應證明了MTT效應的存在。在該結(jié)構(gòu)中，如圖（a）所示，Pt作為具備強自旋軌道耦合作用的重金屬材料，通過流經(jīng)它的電流產(chǎn)生純自旋流。NiO作為反鐵磁絕緣體，可用于電子自旋流向磁子自旋流的轉(zhuǎn)化，即產(chǎn)生純磁子流。具有垂直磁各向異性的絕緣體Y3Fe5O12作為磁子流的吸收層，可通過觀察其垂直磁矩的變化來判斷MTT的存在并評估MTT的大小。Y3Fe5O12和NiO作為絕緣體，可以阻止電子進入其中，因而可以完全排除經(jīng)典電子自旋流對磁矩翻轉(zhuǎn)的影響；垂直磁化的Y3Fe5O12從對稱性上還可以完全排除電流誘導的水平奧斯特磁場使其發(fā)生180°確定性翻轉(zhuǎn)的可能性。因此，在該系統(tǒng)中僅有流經(jīng)反鐵磁絕緣體NiO的磁子流可以對磁性絕緣體Y3Fe5O12施加力矩作用、且導致垂直磁矩的翻轉(zhuǎn)，從而明確地驗證了MTT的存在。根據(jù)自旋力矩驅(qū)動垂直磁矩翻轉(zhuǎn)效應的特點來看，如果面內(nèi)輔助磁場反號，垂直磁矩被自旋力矩驅(qū)動翻轉(zhuǎn)的方向亦反號。這是MTT作用于垂直Y3Fe5O12的另一判據(jù)。圖（b）中的結(jié)果均證實了MTT的存在。
　　該工作從實驗上確立了磁子轉(zhuǎn)移力矩MTT效應的圖像，并表明MTT可用于磁矩的調(diào)控及其翻轉(zhuǎn)，這為開發(fā)純磁子存儲器和磁子邏輯補齊了此前缺失的電學調(diào)控技術(shù)和方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論B》（Phys. Rev. B, 104 (2021) 094412）上。
　　磁子轉(zhuǎn)移力矩（MTT）效應的（a）物理圖像和（b）實驗證明結(jié)果。（a）Pt中自旋流轉(zhuǎn)換成NiO中磁子流，再將磁子攜帶的自旋角動量傳遞給具有垂直磁矩Y3Fe5O12(YIG)的原理示意圖；（b）利用反?；魻栃O(jiān)測MTT驅(qū)動磁矩翻轉(zhuǎn)的實測數(shù)據(jù)。MTT效應驅(qū)動垂直磁矩翻轉(zhuǎn)的回線清晰可見，且回線的方向（順時針或逆時針）隨水平輔助磁場的方向反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn)。這些實驗證據(jù)證明了MTT效應的存在。
　　

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