磁子型器材有望构成继根据电荷流的榜首大类半导体/微电子器材和根据自旋极化电流的第二大类自旋极化电子器材之后的根据磁子流的第三大类固态磁子型器材,有望为未来信息科学和技能的可持续开展带来愈加宽广的开展空间。

从物理角度上讲,除了电子这一自旋的载体,其它中子、磁子等粒子或许准粒子也能够带着自旋角动量信息。特别是磁子(即磁激子或磁振子的简称),它可经过铁磁、亚铁磁或反铁磁绝缘体中自旋晶格的元激起取得,并且磁子是电中性的,能够用作抱负的信息载体,它有如下长处。首要,磁子的波动性供给了一些根据电子的传统自旋器材无法完成的功用。磁子供给了没有焦耳热的长距离自旋信息传递的新办法,能够防止电荷流发生的焦耳热问题,然后极大地下降自旋器材的功耗。其次,磁子根据自旋波的相干特性和非线性的彼此作用,能够发生更为别致的物理现象和器材使用。对其相位的调制为信息的控制供给了别的一个自由度,然后能够完成非布尔逻辑运算功用。关于磁子自旋输运的研讨方兴未已,乃至一个关于它的新兴学科——磁子学(Magnonics)正在应运而生。磁子型器材除了使用磁子完成数据存储和逻辑运算外,还包含磁子自旋与电子自旋之间的彼此转化,然后能够完成新式磁子电路与电子电荷及电子自旋两类传统电路之间的彼此集成和功用转化;此外,磁子的量子特性也能够发生其它微观量子现象,例如自旋超流体和磁子约瑟夫森效应等。

中国科学院物理研讨所/北京凝聚态物理国家研讨中心磁学国家重点试验室研讨员韩秀峰课题组在国际上首要研发出了可用于磁子信息调控的磁子阀(Magnon Valve)和磁子结(Magnon Junction)等磁子型元器材。首要,他们选用能与工业化出产相兼容的磁控溅射技能等办法,经过重复试验优化探究,首选具有室温铁磁性的钇铁石榴石Y3sub>Fe5O12(YIG)磁性绝缘体作为上下极、非磁性金属Au作为中间层、在GGG衬底上异质外延制备出了高质量的中心结构为磁性绝缘体(MI)/非磁性金属中间层(NM)/磁性绝缘体的磁子阀(MI/NM/MI),并且在该YIG/Au/YIG结构中初次观测到和发现了磁子阀效应(Magnon Valve Effect),即经过两层磁性绝缘层的相对磁化方向取向能够调控磁子流的巨细[Hao Wu and X. F. Han et al.,Phys. Rev. Lett.120 (2018) 097205, Editors’suggestion & Featured in Physics]。

为了结构彻底电绝缘和纯磁子流调控的磁子阀元器材,该团队进一步优选反铁磁绝缘体NiO作为中间层,在国际上又首要成功制备出了中心结构为磁性绝缘层(MI)/反铁磁绝缘层(AFI)/磁性绝缘层(MI)的新式磁子结(MI/AFI/MI),并研讨了YIG/NiO/YIG中磁子流的输运性质。经过在磁子结两边施加温度梯度来激起MI中的磁子流,发现其间一个MI磁性绝缘体层中的磁子流将遭到另一个MI层的影响,并且是经过反铁磁绝缘体中磁子流的传递来完成的。经过在顶部重金属Pt层丈量穿过磁子结的磁子流,发现丈量到的逆自旋霍尔(Inverse spin Hall effect, ISHE)电压取决于两个MI层的磁化相对取向,从而能够发生类比曩昔磁性地道结(Magnetic tunnel junction, MTJ)的新式磁子结(Magnon Junction)效应。一起该新式磁子结能够完成比磁子阀更高的开关比。新式磁子结器材,因其对纯磁子流的调控才能,有望成为磁子信息传递和逻辑运算的中心元器材,能够为构建纯磁子电路奠定中心元器材根底。

该项作业的最新相关研讨进展已宣布在《物理谈论B》上[C. Y. Guo, C. H. Wan & X. F. Han et al., Phys. Rev. B. 98 (2018) 134426]。该作业得到国家自然科学基金委、科技部和中科院有关项目的经费支撑。

图1. GGG//YIG(100)/NiO(15)/YIG(60 nm) 磁子结的微观结构。(a) 器材TEM截面图;(b) GGG//YIG(100 nm)界面的高分辩TEM图;(c) YIG(100)/NiO(15)/ YIG(60 nm)界面的高分辩界面TEM图;(d) 底层YIG和(e)经过傅里叶变换HRTEM图取得的顶层YIG的选区电子衍射图;(f) 磁子结的自旋塞贝克信号丈量安置,磁场方向延x方向。

图2. (a) 磁子结与比照样品(NiO厚度分别为6、8、15、20和30 nm的磁子结样品)的临界翻转磁场随温度的改变联系,该数据是经过自旋塞贝克信号测验;(b) 磁子阀效应的VVP/VP比值随温度的改变联系,插图展现tNiO=6 nm的磁子结在260K的自旋塞贝克信号的勘探成果。在反平行状态下此磁子结中的磁子流在必定条件下能够彻底关断;(c) 磁子结厚度同lnδ随温度的依靠联系,并得到磁子结中NiO的磁子分散长度。插图展现NiO中的磁子分散长度λNiO在150K温度时为4nm左右。

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