基於磁性絕緣體的磁子閥效應

作者：吳昊 韓秀峰 (中國科學院物理研究所)

電晶體是現代半導體器件的基石， 電腦晶片通過電晶體來控制其中的電子流動。 為了進一步提高電腦的存儲密度與運算速度， 人們迫切需要發展更小尺寸的電晶體單元。 如今微電子技術已經跨入 10 nm的制程工藝， 由於面臨原子極限和量子效應等物理瓶頸， 繼續向下推進新的制程節點變得越來越困難。 為了繼續提高半導體器件的性能， 研究人員正在努力尋求新的替代方案。

面向後摩爾時代的資訊存儲與邏輯運算需求， 自旋電子器件(Spintronic Device)為開發下一代具有更小單元尺寸、非易失性、低功耗和高速度的微電子器件提供了具有廣闊發展前景的研究方向。

其中， 自旋閥(Spin Valve)是各類自旋電子器件的核心單元， 通常包括兩層鐵磁金屬和非磁中間層構成的三明治核心結構(FM1/NM/FM2)， 由於自旋極化電子在兩鐵磁層間輸運， 從而使器件的電阻受到兩鐵磁層相對取向的調製。 基於自旋閥結構的室溫巨磁電阻(GMR， 1988年)和室溫隧穿磁電阻(TMR， 1995年)器件， 已經廣泛應用於磁性硬碟、磁性隨機記憶體和磁性感測器等高密度資訊存儲與感測器件中， 法國 A. Fert和德國 P. Grünberg 兩位科學家也因為巨磁電阻(GMR)效應的發現獲得了2007年諾貝爾物理學獎。

磁子(Magnon)是自旋波(Spin Wave)量子化的准粒子， 它可以將單個自旋翻轉的角動量以波動的形式傳遞到整個磁性體系中，

因此可以進行長距離、高效率的自旋資訊的傳播， 在最好的材料中傳播長度可以達到大約 1 cm， 而且不會有顯著的能量衰減和熱耗散， 這是在傳統基於電子的自旋器件中無法實現的， 因此進一步發展基於磁子自旋的器件與電路已經引起了研究人員的廣泛關注。 最近， 德國的一個研究小組通過模型初步類比了如何在集成振幅回路中使這些磁子形成電流， 且只在二維尺度上與元件連接。 為了實現基於磁子自旋的邏輯、存儲與各種電路器件， 正如半導體器件中的電晶體以及自旋電子器件中的自旋閥 ， 人 們迫切需要開發磁子閥 (Magnon Valve)這種基本核心單元來實現磁子自旋資訊的存儲和操控等各種器件功能特性。

圖 1 (a)磁子閥結構、原理和測量示意圖；(b)—(c)GGG/YIG和YIG/Au/YIG區域的透射電鏡照片

為了解決這一問題， 2012—2016年期間我們經過一系列的樣品製備條件摸索和優化， 克服了以往 YIG只能通過分子束外延或者脈衝鐳射沉積在 GGG襯底上外延製備的限制， 採用可用於大規模工業生產的磁控濺射技術在 Si—SiO2襯底上開發出了基於磁性絕緣體 YIG的磁子自旋器件，

其核心單元為 Pt/YIG/Pt三明治結構， 並在該結構中觀測到了由亞利桑那大學張曙豐教授團隊理論預測的磁子拖拽效應。 通過 Pt中電流產生的自旋霍爾效應來激發 YIG中的磁子流， YIG中的磁子流傳遞到另一 Pt層中， 進而通過其中的逆自旋霍爾效應來進行探測， 並且發現磁子流的大小受到YIG磁矩方向的調製。 這個研究進展實現了全電學方法的磁子自旋資訊的激發與探測， 證實了磁性絕緣體可以作為磁子流(Magnon Current)和磁子自旋資訊的傳輸通道， 並且可以通過 YIG的磁矩來操控磁子自旋資訊的開關狀態， 該項工作以快訊的方式發表在Physical Review B雜誌上。

最近， 我們採用 YIG作為磁性電極、Au作為中間層， 在國際上率先設計和優化製備出了 YIG/Au/YIG 磁子閥結構， 通過兩層 YIG 來產生磁子流， 並且通過精細調節其晶體結構來實現獨立控制兩層 YIG的磁矩， 從而實現平行態和反平行態的磁化狀態。 通過採用局域電流加熱的方法產生沿薄膜厚度方向的溫度梯度， YIG中由溫度梯度產生的自旋塞貝克效應可以激發其中的磁子流， 經由另一層 Pt 中的逆自旋霍爾效應來測量通過該磁子閥的磁子流的大小(圖 1)， 進而發現其中的磁子閥效應——即兩層YIG的相對磁化取向可以控制通過該磁子閥的磁子流大小， 室溫下平行態和反平行態的相對磁子閥比值 (Magnon Valve Ratio， MVR)可以達到 19 %(圖 2)。 並且進一步揭示了磁子閥比值的大小主要取決於磁性絕緣體/金屬介面的磁子—電子自旋的轉換效率， 該轉換效率的溫度依賴關係與理論計算的結果相一致；通過磁子閥比值與 Au 厚度的依賴關係的擬合，得出 Au 的自旋擴散長度為15.1 nm，與自旋泵浦方法獲得的結果相一致。該項研究進展作為編輯推薦(Editors' Suggestion)和物理特色(Featured in Physics)文章已發表在Physical Review Letters 雜誌上；美國物理學會的 Physics 雜誌同期也進行了亮點評論和報導。該項研究工作製備出的這種 YIG/Au/YIG，即新型磁性絕緣體/中間層/磁性絕緣體(MI1/NM/MI2)磁子閥結構，其本身即是自旋資訊傳遞和邏輯運算的一種基本磁子型核心單元器件，也是未來研發基於磁子流的電路、邏輯、存儲、電晶體和開關等各類磁子型器件(Magnon Device)的材料與物理基礎。

圖2 (a)—(b)磁子閥比值隨中間 Au層厚度和溫度的依賴關係；(c)—(d)探測端逆自旋霍爾電壓隨YIG磁化方向和加熱電流的依賴關係

本文選自《物理》2018年第4期

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該轉換效率的溫度依賴關係與理論計算的結果相一致；通過磁子閥比值與 Au 厚度的依賴關係的擬合，得出 Au 的自旋擴散長度為15.1 nm，與自旋泵浦方法獲得的結果相一致。該項研究進展作為編輯推薦(Editors' Suggestion)和物理特色(Featured in Physics)文章已發表在Physical Review Letters 雜誌上；美國物理學會的 Physics 雜誌同期也進行了亮點評論和報導。該項研究工作製備出的這種 YIG/Au/YIG，即新型磁性絕緣體/中間層/磁性絕緣體(MI1/NM/MI2)磁子閥結構，其本身即是自旋資訊傳遞和邏輯運算的一種基本磁子型核心單元器件，也是未來研發基於磁子流的電路、邏輯、存儲、電晶體和開關等各類磁子型器件(Magnon Device)的材料與物理基礎。

圖2 (a)—(b)磁子閥比值隨中間 Au層厚度和溫度的依賴關係；(c)—(d)探測端逆自旋霍爾電壓隨YIG磁化方向和加熱電流的依賴關係

本文選自《物理》2018年第4期

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