清华Nat. Commun.: 磁子自旋流在180°磁畴壁中的传输新进展

2023-05-16 03:05

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磁子传输和磁子调控是近些年的重要科学研究内容之一。磁子在磁性绝缘体中进行非电荷传输，可以有效避免电荷流的焦耳热能耗，有望为未来低功耗芯片及相关电子器件的信息传输和处理提供新的解决方案。磁子传输的研究一般集中于磁子在均匀磁化的磁性材料中的输运行为，而在零磁场下磁性材料形成磁畴，磁子输运能力衰减。理解磁子在磁畴壁中的输运行为并实现磁子在零磁场下的高效传输是该领域的核心问题之一。

4月26日，Nature Communications刊发了清华大学集成电路学院南天翔助理教授课题组题为《磁子自旋扩散在180度磁畴壁中具有令人困惑的不敏感性》（A puzzling insensitivity of magnon spin diffusion to the presence of 180-degree domain walls）的论文。本工作基于单晶外延铁磁绝缘体MgAl_l0.5Fe_1.5O₄(MAFO) 薄膜，其在零磁场下具有很弱的单轴各向异性磁场而形成180°畴壁，研究发现180°畴壁对极化磁子自旋流传输的影响微弱，非局域自旋传输信号在室温下可以在多磁畴的样品中保持最大值（95%），作者基于此提出了不同于传统磁子输运模型的假设，该结果有助于未来实现零磁场辅助的磁子自旋器件。

图1. 单晶外延铁磁绝缘体MgAl_l0.5Fe_1.5O₄ (MAFO) 薄膜的磁性表征

外延的单晶MAFO薄膜在低磁场下具有独特的磁各项异性，并沿[1-10]晶向形成180°磁畴结构（图1），这对研究磁子在磁畴壁中的输运行为提供了平台，其中图1(b)展示了基于金刚石NV色心扫描显微镜对180°磁畴结构的成像。图2展示了非局域磁子传输实验的设置、器件扫描显微镜图像以及传输信号的磁场角度依赖关系。器件由基于Pt纳米线的自旋发射和自旋接收部分组成，电流在自旋发射端分别通过自旋霍尔效应和自旋塞贝克效应在自旋接收端产生磁场角度依赖

和sinφ的逆自旋霍尔信号。

图2. 非局域自旋输运实验

通过设计磁子在MAFO薄膜中的传输方向，实验发现非局域输运信号展现不同的变化形式。当磁子传输方向沿薄膜[010]或[100] 晶向时，非局域自旋传输信号在零磁场下衰减为在饱和磁场时的一半（如图3(a)所示），当磁子沿[110] 晶向传输时，非局域自旋传输信号在零磁场下衰减为0（如图2(b)所示），以上结果和磁子传输的传统模型相符。而当磁子沿[1-10] 晶向传输时，此时其传输方向与180°磁畴方向平行，非局域自旋传输信号在零磁场下得以保持，说明180°磁畴壁对磁子传输没有明显的阻碍作用（如图2(c)所示）。而传统模型认为当磁子穿过180°磁畴壁时其携带的自旋角动量将反向，这样在多磁畴的样品中磁子流在不同样品区域中将穿过不同数量的磁畴壁，非局域自旋输运信号将大幅衰减。该结果有别于传统磁子输运模型中预测的物理图像，作者进一步基于此结果提出了磁畴壁动力学、磁声耦合等其它模型假设。

图3. 磁畴结构对非局域自旋输运信号的调控

该工作是继南天翔课题组关于MAFO 薄膜的磁子各向异性传输特性研究(Nano Letter, 2022, 22, 1167-1173)之后，再次基于这一材料体系报道了磁子流在磁畴壁中的传输行为。清华大学南天翔教授和美国康奈尔大学Daniel C. Ralph教授为论文共同通讯作者，论文第一作者为康奈尔大学李若凡博士，合作单位包括斯坦福大学、威斯康辛大学麦迪逊分校、巴塞尔大学、Qnami等。课题组柴亚红博士和张跃杰博士参与了该项研究工作。