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2020-11-20 作者:电子学院 来源:科学技术处

南京大学零磁场反铁磁超快自旋流产生研究获重大突破

由于反铁磁材料对外界磁场干扰不敏感并且共振频率在太赫兹频段,有望实现稳定和高速的电子器件,因而近年来成为自旋电子学的研究热点。目前已有一些国外优秀的学术团队陆续报道了他们利用反铁磁材料产生自旋流的研究成果。但是反铁磁材料具有零净磁矩和低磁化率,为了获得可测量的自旋流信号,在这些已报道的研究中都施加了10特斯拉量级的强磁场,以打破反铁磁系统的两个磁本征模的简并性。反铁磁材料对强磁场的依赖性极大的限制了其作为自旋流源的广泛研究与应用。因此若实现弱磁场甚至零磁场条件下的反铁磁自旋流的产生,将为反铁磁自旋电子学领域带来深远的影响。

针对这一亟待研究的学术问题,南京大学电子科学与工程学院金飚兵教授团队与物理学院吴镝教授团队合作,在世界上首次报道室温零磁场条件下反铁磁/重金属(NiO/Pt)结构中的自旋流注入过程。图1a为报道中采用的太赫兹发射谱测量方法的示意图。超快激光脉冲泵浦样品,并通过电光取样方法测量样品的太赫兹波发射。图1b展示了NiO中自旋取向排列。超快激光脉冲泵浦对反铁磁材料产生更为剧烈的扰动,在零外场和室温下诱导产生瞬态磁化(图1c中蓝色波形)。反铁磁NiO层的瞬态磁化向邻近的重金属层注入超快自旋电流。由于重金属层的逆自旋霍尔效应,纵向超快自旋流在Pt层中转化为横向高频电荷电流,从而向空间辐射太赫兹频段的电磁波(图1c中红色波形)。

图1,a,NiO/Pt结构的太赫兹发射谱测量示意图;b,反铁磁NiO的自旋取向排列示意图;c,NiO/Pt结构与单纯的NiO薄膜的太赫兹发射谱强度对照;

2a2b分别展示了NiO/Pt结构和NiO薄膜的太赫兹发射幅值对其样品旋转角度的依赖性,两者都呈现120°周期特征。图中实线为基于非线性光学理论计算所得的拟合结果,与实验结果高度吻合。另外报道中还对泵浦激光的偏振方向和NiO薄膜的晶向等参数的影响做了研究,进一步验证了NiO中的非线性光学过程是其产生瞬态磁化的物理机制。研究中的实验测量皆在零磁场条件下完成。零磁场条件下反铁磁可产生超快自旋流的现象的发现,为反铁磁自旋电子学、高速安全的存储器件以及新型太赫兹源的研究提供了全新的思路,在太赫兹与反铁磁自旋电子学交叉领域中取得了创新性突破。

图2,NiO/Pt结构(a)与NiO薄膜(b)的太赫兹发射幅值对其样品旋转角度的依赖性。

相关研究成果于2020年11月16日以"Ultrafast spin current generated from an antiferromagnet"为题发表于世界顶尖科技期刊Nature Physics(《自然•物理》),文章全文具体内容详见原文(链接:https://www.nature.com/articles/s41567-020-01061-7,DOI:10.1038/s41567-020-01061-7。电子学院邱红松副研究员(毓秀计划)和物理学院周礼繁博士为论文的共同第一作者,电子学院超导电子学研究所金飚兵教授和物理学院吴镝教授为论文的共同通信作者。西安交通大学米少波教授和成绍鸫教授完成了样品的结构分析。电子学院吴培亨院士、陈健教授、张彩虹副教授、吴敬波副教授、物理学院张琦教授和复旦大学赵海斌教授在实验设计、测量和结果分析等方面做出了重大贡献和支持。南京大学为论文第一单位。该研究受到基金委创新群体、国家重点研发计划(2017YFA0700202、2017YFA0303202)、国家自然科学基金委和固体微结构物理国家重点实验室等项目和平台的资助。