材料学院易迪课题组合作在磁振子调控方面取得进展
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清华新闻网7月11日电 传统自旋电子器件一般依赖电子传输自旋信息，这一过程不可避免地会产生焦耳热。近期的研究发现磁振子可以在亚铁磁和反铁磁绝缘体中传输自旋而不涉及电荷运动，作为信息载体处理和传输信息时不产生明显的热耗散，被视为发展低功耗信息功能器件的理想载体。如何有效地操控磁振子流的大小和自旋极化方向，是这一领域亟待解决的关键问题之一。
近日，清华大学材料学院易迪课题组和合作者通过构筑单畴化的反铁磁绝缘体，实现了一种室温下工作的磁振子偏振片，其功能类似于光学偏振片，可以实现对具有特定自旋极化方向的磁振子流的选择性传输，并可以调控其自旋极化方向，为新一代低功耗自旋电子器件奠定了关键基础（图1）。
图1. 基于反铁磁绝缘体的磁振子偏振片工作原理图
研究团队基于具有强自旋-晶格耦合的反铁磁氧化物铁酸镧（LaFeO₃），通过精确调控晶体对称性和衬底应变，成功获得了具有单结构畴和反铁磁畴的铁酸镧薄膜，实现了稳定、方向唯一的奈尔矢量。该材料能够高效地传输自旋极化与奈尔矢量平行的磁振子流，并完全阻断自旋极化与奈尔矢量垂直的磁振子流，表现出大的磁振子传输“开-关”比（图2）。
图2.LaFeO₃（铁酸镧）薄膜的晶体结构、反铁磁结构和磁振子输运性能表征
研究团队进一步结合自旋塞贝克效应与自旋力矩铁磁共振测试，明确地验证了该偏振片可以调制透过磁振子流的自旋极化方向，突破了此前多畴材料中平均效应的限制。基于此，团队进一步验证了该磁振子偏振片可以诱导产生非常规自旋力矩，获得了通常难以实现的垂直面外分量，为实现低功耗、无场辅助的垂直磁矩翻转器件提供了新方案（图3）。总的来说，磁振子流偏振片不仅为自旋电子学领域提供了关键的功能模块，更为反铁磁绝缘体在未来信息器件中的应用打开了新思路。
图3. 基于磁振子偏振功能实现非常规自旋力矩
上述研究成果以“基于反铁磁绝缘体的纯自旋流偏振片”（Pure Spin Current Polarizer Enabled by Antiferromagnetic Insulator）为题，于7月7日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
在此基础上，研究团队进一步开展了异质结中磁振子输运机制的研究，提出了一种利用界面耦合作用调控磁子流传输效率和各向异性的新策略。以La0.7Sr0.3MnO3/ LaFeO3/ Pt三层异质结构为研究平台，团队发现通过调控界面交换耦合和反铁磁磁晶各向异性之间的竞争，可实现温度驱动的奈尔矢量重定向，从而调控磁子输运特性。基于自旋泵浦测量，发现该异质结的磁振子传输在高温下表现出强单轴各向异性和高透过率，中温下转变为弱各向异性和中等透过率，最终在低温下完全转变为磁子绝缘体（图4）。
图4.温度驱动的磁振子导体-绝缘体转变
研究团队进一步结合软X射线磁线性二色谱（XMLD），揭示了界面耦合强度与反铁磁层的磁晶各向异性竞争驱动LaFeO3的奈尔矢量重定向，并通过微磁模拟揭示了磁振子输运特性转变的微观物理机制（图5）。研究结果揭示了界面对异质结中磁振子输运的关键影响，为发展反铁磁磁子器件提供了新的理论基础与设计思路。
图5.界面耦合调控磁振子输运的微观机理
上述研究成果以“界面耦合调控反铁磁磁子传输与各向异性”（Controlling Antiferromagnetic Magnon Transport and Anisotropy by Interfacial Coupling）为题，于7月4日在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。
清华大学材料学院2020级博士生陈和田为两篇论文的第一作者，材料学院副教授易迪、集成电路学院副教授南天翔为论文的通讯作者。主要合作者还包括清华大学材料学院教授林元华和副教授马静，物理系教授于浦，中国科学院高能物理研究所副研究员张玉骏、张庆华，上海光源副研究员朱方园，英国杜伦大学副教授何清、英国钻石光源林正全博士和日本SPring-8光源大河内拓雄（Takuo Ohkochi）博士。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等的支持。
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