我國學者發現基于磁性絕緣體的磁子閥效應

　　面向后摩爾時代的信息存儲與邏輯運算需求，自旋電子器件在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中提供了具有廣闊前景的發展方向。其中，自旋閥是各類自旋電子器件的核心單元，自旋閥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，由于自旋極化電子在兩鐵磁層間的輸運，從而使器件的電阻受到兩鐵磁層相對取向的調制。基于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，已經廣泛應用于磁性硬盤、磁性隨機存儲器和磁性傳感器等高密度信息存儲與傳感器件中，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。

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。

　　自旋波是磁性系統中自旋進動過程的集體激發態，其量子化的準粒子稱為磁子，每一個磁子攜帶一個普朗克常量的自旋角動量。與傳統金屬中的自旋極化傳導電子相比，基于自旋波的磁子具有以下的優點：(1) 磁子的傳遞具有無熱耗散和低阻尼的特點，在長距離的自旋信息傳播中具有顯著的優勢；(2) 磁子的波動屬性同時具備了振幅和相位兩個特性，可以突破傳統的馮·諾依曼體系的邏輯和計算架構，有可能成為后摩爾時代信息傳輸和處理的重要方式之一；(3) 基于磁子的超流、超導、玻色-愛因斯坦凝聚和約瑟夫森等宏觀量子效應也成為凝聚態物理的研究熱點。在傳統的磁子自旋電子學的研究中，微波是最常用的激發和檢測的方式。但是，微波器件的尺寸很難實現小型化，因此，要將磁子自旋器件應用到半導體大規模集成電路中，迫切需要發展基于電學方法的磁子自旋激發、調控與探測手段。

　　2012至2016年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組韓秀峰研究員領導的研究團隊，利用磁控濺射技術結合高溫熱處理工藝經過一系列樣品的制備和優化，克服了以往YIG只能在單晶GGG襯底上制備的限制，在Si-SiO2襯底上設計和制備出了Pt/YIG/Pt的重金屬/磁性絕緣體/重金屬?(HM/MI/HM)層狀異質結構，并且首次在該結構中觀測到了由亞利桑那大學張曙豐教授團隊通過理論預測的磁子拖拽效應，即由于YIG中磁子的激發與傳輸，一側Pt層中的電荷/自旋流可以在另一側Pt層中拖拽出相反的電荷/自旋流。該工作證實了磁性絕緣體可以作為磁子自旋的傳輸通道[Hao Wu and X. F. Han et al., Phys. Rev. B 93 (2016) 060403(R)]。

　　最近，韓秀峰研究團隊又創新性地采用YIG磁性絕緣體作為磁性電極、Au作為中間層、在GGG襯底上異質外延制備了高質量的YIG/Au/YIG這種新型的磁性絕緣體/金屬/磁性絕緣體(MI/NM/MI)--磁子閥結構，并且在該結構中首次觀測和發現了磁子閥效應(Magnon Valve Effect)，即通過兩層磁性絕緣層的相對磁化方向取向可以調控磁子流的大小。首先，他們通過精細調控兩層YIG的晶體結構來產生不同的矯頑力，從而實現反平行的相對磁化取向；采用局域電流加熱的方式產生溫度梯度，通過縱向自旋塞貝克效應激發YIG中的磁子流，通過磁子閥的磁子流可以通過Pt中的逆自旋霍爾效應來實現電學的測量；進而發現了其中的磁子閥效應，即兩層YIG的相對取向可以控制通過該磁子閥的磁子流大小，其中室溫下平形態和反平行態的相對磁子閥比值(Magnon Valve Ratio, MVR)可以達到19 %；并且揭示了磁子閥比值的大小主要取決于磁性絕緣體/金屬界面的磁子-電子自旋的轉換效率，該轉換效率的溫度依賴關系與理論計算的結果相一致；通過磁子閥比值與Au厚度的依賴關系的擬合，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[Hao Wu and X. F. Han et al., Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 097205, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.097205, Editors’ suggestion & Featured in Physics]。

　　該項研究工作制備出的這種YIG/Au/YIG、即新型磁性絕緣體/中間層/磁性絕緣體(MI/NM/MI)磁子閥結構，其本身即是自旋信息傳遞和邏輯運算的一種基本磁子型核心單元器件，也是未來研發基于磁子流的電路、邏輯、存儲、二極管、晶體管、波導和開關等各類磁子型器件的材料與物理基礎。它表明以磁性絕緣體中磁子做為自旋信息載體的一類新型自旋電子學核心器件具有重要的應用前景，其材料、物理和器件上的突破將有可能加快低能耗、可重寫、非易失和高頻率的新型計算機系列核心器件的誕生。并且這種磁子閥結構，能夠與現有的大規模集成電路工藝進行匹配，有助于未來磁子器件、自旋電子器件與半導體微電子器件的綜合集成與廣泛利用。

　　該項工作的相關研究進展發表在 Phys. Rev. Lett., 并且作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics 做為亮點文章(highlighted article)在PRL網站首頁重點推薦。美國物理學會的《物理》期刊也做了同步亮點評價：認為此類基于純自旋流的磁子晶體管(磁子閥)可以導致一類新型磁子流電路及器件的誕生，會比傳統電子器件及電路更快和更高效[Physics 11 (2018) 23]。該項研究得到了國家自然科學基金委員會（項目基金號：11434014）、科技部（項目編號：2016YFA0300802, 2017YFA0206200）和中科院（項目編號：XDB07000000, QYZDJ-SSW-SLH016, 112111KYSB20170090）有關項目基金的支持。

圖2. (a)-(b) 磁子閥比值隨中間Au層厚度和溫度的依賴關系； (c)-(d) 探測端ISHE電壓隨YIG磁化方向和加熱電流的依賴關系。