磁振子自旋电子学领域重要进展：新型自旋阀结构

导读

近日，德国美因茨大学、德国康士坦茨大学、日本东北大学的科研人员展开了国际科研合作，成功开发出用于磁振子逻辑结构的一种新元件：自旋阀（spin valve）结构，在某种程度上实现了一种开关类型的器件，可阻止或者传递作为电信号的磁振子自旋电流。

背景

如今的信息技术，基本上都是采用电荷运动所形成的电流，传输和处理相关信息。然而，自旋电子学却是一门不同于传统的新学科，它采用电子的自旋或磁矩作为信息载体。

“磁振子自旋电子学”（magnons spintronics）是一个新兴的科研领域。笔者曾多次介绍“自旋电子学”的概念。那么“磁振子”（magnon）又是什么呢？它是自旋波的元激发（在现代固态物理中，“自旋”和“磁”这两个概念通常密不可分）。自旋波，是指序磁性（铁磁、亚铁磁、反铁磁）体中相互作用的自旋体系，由于各种激发作用引起的集体运动，是一种发生于磁性材料中的特殊波。

在“磁振子自旋电子学”领域，科研人员们旨在研究利用“磁振子自旋电流”（magnon spin currents）传输和处理信息。磁振子自旋电流传导的并不是电荷，而是磁矩。这些都是通过“磁波”（magnetic wave）或者所谓的“磁振子”作为媒介传导的，类似于通过磁性材料传播的声波。

磁振子自旋电子学的基础构建模块是“磁振子逻辑器件”。例如，磁振子逻辑器件能进行基本逻辑操作，通过自旋电流的“叠加”处理信息。例如，笔者前不久刚介绍过荷兰格罗宁根大学开发的基于磁振子的自旋晶体管。

（图片来源：L. Cornelissen）

创新

今天，笔者再为大家介绍一项磁振子自旋电子学领域的创新成果。近日，德国美因茨大学（JGU）、德国康士坦茨大学、日本东北大学的科研人员展开了国际科研合作，成功地在磁振子逻辑结构集中添加了一种新元件：自旋阀（spin valve）结构。

自旋阀结构，是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。这种结构能证明，磁振子电流的检测效率取决于器件的磁场位形。一般来说，它可以用于传输（下图下部）或者阻止（下图上部）传入的信息。

（图片来源：Joel Cramer ）

这项研究的相关论文已在线发表于《自然通信（Nature Communications ）》杂志。德国美因茨大学卓越材料科学研究所的研究员 Joel Cramer 是这篇论文的第一作者。美因茨大学研究的自旋输运问题以及自旋电流的创造与检测，是作为CRC/Transregio 173: Spin+X 项目的一部分，这个项目由德国研究基金会从2016年开始资助。

技术

这项研究中采用的自旋阀结构，是由绝缘铁磁体钇铁石榴石（YIG）、绝缘反铁磁体氧化亚钴(CoO)、金属反铁磁体钴（Co）组成的三层膜系统：YIG/CoO/Co。通过微波辐射生成振荡磁场，YIG磁化强度被刻意地偏转，从而激发出进入CoO的磁振子自旋电流。由于“逆自旋霍尔效应”，在金属反铁磁体Co层中，磁振子自旋电流被转化为电荷电流，然后会被检测到。

（图片来源：参考资料【2】）

之前，笔者曾介绍过德国凯泽斯劳滕工业大学（TUK）科研团队一项创新成果，其中也采用了“逆自旋霍尔效应”。TUK 科研团队采用的是飞秒激光器激发出的极短激光脉冲。当激光脉冲照射到纳米结构上时，激发了离子薄膜中的电子，从而创造出自旋电流。当这种电流流入邻近的铂层时，也会出现同样的物理现象：逆自旋霍尔效应。铂的原子核使得电子向相反方向偏转，即左手或者右手自旋，导致自旋电流变化为超高速的瞬态电荷流，然后变成太赫兹波的发射源。

（图片来源：TUK）

实验证明：检测到的信号幅度强烈地依赖于自旋阀的磁场位形。在反平行对齐的YIG和Co磁化强度中，信号幅度大约比平行状态高120%。反复切换Co的磁化强度，将进一步揭示这种效应具有鲁棒性，并适合长期操作。Joel Cramer 表示：“总而言之，这种效应某种程度上实现了一种开关类型的器件，它可以阻止或者传递作为电信号的磁振子电流。”

价值

磁振子自旋电子学的根本目的在于：采用磁振子取代电荷，作为信息技术概念中的信息载体。此外，磁振子也为基于自旋波的计算提供了可能性，这种基于自旋波的计算为逻辑数据处理提供了更多选项。与此同时，磁振子以相对较小的损耗，在磁性绝缘体中传播，也有望帮助进一步提高数据处理的能量效率。

Joel Cramer 表示：“我们实验的成果是一种可应用于未来磁振子逻辑运算的效应，从而在磁振子电子自旋学领域作出重要贡献。”

关键字

自旋电子学、磁振子、计算机、逻辑运算

参考资料

【1】https://idw-online.de/en/news690805

【2】Joel Cramer, Felix Fuhrmann, Ulrike Ritzmann, Vanessa Gall, Tomohiko Niizeki, Rafael Ramos, Zhiyong Qiu, Dazhi Hou, Takashi Kikkawa, Jairo Sinova, Ulrich Nowak, Eiji Saitoh, Mathias Kläui. Magnon detection using a ferroic collinear multilayer spin valve. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-03485-5

---

了解更多前沿技术文章，请点击“阅读原文”。咨询和交流，请联系微信：JohnZh1984