垂直自由层倾斜极化层自旋阀结构中的磁矩翻转和进动

在理论上研究了垂直自由层和倾斜极化层自旋阀结构中自旋转移矩驱动的磁矩翻转和进动.通过线性展开包括自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert方程并使用稳定性分析方法,得到了包括准平行稳定态、准反平行稳定态、伸出膜面进动态以及双稳态的磁性状态相图.发现通过调节电流密度和外磁场的大小可以实现磁矩从稳定态到进动态之间的转化以及在两个稳定态之间的翻转.翻转电流随外磁场的增加而增加,并且受自旋极化方向的影响.当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向平行时,翻转电流最小;当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向垂直时,翻转电流最大.通过数值求解微分方程,给出了不同磁性状态磁矩随时间的演化轨迹并验证了相图的正确性.     

首次观察到弯曲晶体中沟道粒子磁矩的进动

最近在美国费米国立实验室进行的一个实验中,物理学家第一次观察到穿过弯曲晶体运动的基本粒子的自旋产生进动.他们把两片45mm(约2英寸)长的硅晶体弯成十分之一度角,粒子的自旋在其中以60度角进动,得到的磁矩测量结果与以前使用的常规方法所预言的一致.这个新方法使用沟道技术,即带电粒子沿着理想晶体的晶面做导向运动. 许多基本粒子,如质子和中于,都具有磁矩,磁矩与粒子的自旋相联系.对一个稳定的粒子如质子,常利用共振技术测量其磁矩.质子的磁矩在磁场中就象指南针指向北极那样指向磁场方向.如果这时再加上一个适当的交变磁场,就可以改变…     

ErFeO3单晶反常负磁化和补偿温度点性研究

通过光学浮区法生长了直径为6mm,长度约为75mm的晶体,结构分析表明实验样品呈单相的正交钙钛矿结构,并通过劳厄定向仪对ErFeO3晶体进行了定向.系统测量了ErFeO3晶体a,c方向的热磁曲线和不同温度下的磁化曲线.结果表明,随着温度的降低,在98～86K范围该体系经历了从Г4(Gx,Fz)相到Г2(Gz,Fx)相的自旋重取向转变.在ErFeO3体系中,由于Er离子磁矩反平行于Fe离子磁矩分子场,在46K附近,在a方向上Er的反向磁矩大于Fe离子磁矩,导致出现负磁化和磁化补偿点现象.随着外加测量场的增强,a轴向上的负磁化被抑制,补偿温度点向高温移动.     

Dy_(0.9)Sm_(0.1)FeO_3单晶中的自旋组态和磁化翻转效应

我们用光学浮区法生长了稀土正铁氧体Dy_(0.9)Sm_(0.1)FeO_3(DSFO)单晶,并通过劳厄衍射法确定了单晶样品的方向.对DSFO单晶的磁性研究表明:在DyFeO_3中掺杂10%的Sm后,体系的自旋重取向转变温度从51 K(DyFeO_3)降低到9 K,而且相变过程变成了由Γ_4到Γ_(42)再到Γ_1.在12—300 K区间DSFO处于Γ_4组态,沿c方向Fe离子磁晶格有一个净的磁矩和一个由它诱导的稀土离子的净磁矩.稀土磁矩和Fe磁矩之间本征地反平行耦合,但一个较小的磁场可以改变反平行耦合到平行耦合.在场冷降温模式下的磁化-温度曲线测试中,我们发现在不同的磁场下磁化曲线会在不同的位置发生跳变;这一现象由稀土磁矩和Fe磁矩之间的平行反平行转变导致,有望作为特定条件下的自旋开关而应用于自旋电子学器件中.     

具有倾斜极化层的自旋阀结构中磁翻转以及磁振荡模式的微磁模拟

基于自由层与钉扎层均为垂直磁各向异性的自旋阀结构,采用微磁学模拟与傅里叶分析相结合的技术,研究了极化层磁矩小角度倾斜情形下自由层磁矩的进动翻转特性.通过沿样品垂直膜面方向同时施加电流与磁场,观察到自由层磁矩垂直膜面方向分量的平均值随磁场的演化翻转曲线中出现了多个凹槽.模拟研究结果表明:在一定的电流范围内,凹槽出现的位置与电流大小无关;而在固定的应用电流下,凹槽出现的位置将会受到样品厚度的影响;在凹槽区域内,非一致进动模式、自旋驻波模式、局域自旋波模式等多种磁振荡模式被激发.通过傅里叶分析,得到了各种磁振荡模式的频谱,频谱中的频率分布体现出了倍频以及间谐波的频率特性.     

铁磁/重金属双层薄膜结构中磁性状态的稳定性分析

本文在理论上研究了铁磁/重金属双层薄膜结构中自旋霍尔效应自旋矩驱动的磁动力学. 通过线性稳定性分析, 获得了以电流和磁场为控制参数的磁性状态相图. 发现通过调节电流密度和外磁场, 可以获得不同的磁性状态, 例如: 平面内的进动态、平面内的稳定态以及双稳态. 当外磁场的方向在一定的范围时, 通过调节电流密度可以实现磁矩的翻转和进动. 同时, 通过数值求解微分方程, 给出了这些磁性状态磁矩的演化轨迹.     

自旋转移矩效应激发的非线性磁化动力学

本文基于宏观磁矩(macrospin)的Landau-Lifshitz-Gilbert方程,模拟研究了磁性自旋阀结构中由垂直膜面流向的自旋极化电流所激发的磁化转动动力学特性.直流自旋极化电流借助自旋转移矩效应可驱动磁矩翻转或作周期性振荡,交流电可以激发出具有混沌行为的磁矩振荡.展示了磁矩振荡行为随电流强度变化而发生倍周期分岔、直至混沌振荡的行为规律. 关键词： 自旋转移矩效应 微磁模拟 磁性自旋阀 混沌     

Co0.9Fe0.1薄膜面内元素分辨的磁各向异性

利用X射线磁性圆二色技术对Co0.9Fe0.1薄膜面内元素分辨的磁各向异性进行了研究,通过剩磁模式测量不同磁化方向的样品组分原子单位空穴磁矩的变化,发现除了在生长的磁诱导方向存在易磁化轴外,在与该轴垂直的方向还存在一个类似易轴的软磁化轴;面内的两个难磁化轴与易磁化轴取向大约成66°夹角,从而构成了面内双轴磁各向异性;对不同组分元素,其单位空穴磁矩随磁化方向的变化趋势基本相同,不同磁化方向Fe原子单位空穴的磁矩值约为Co的对应值的87%,反映了Fe原子和Co原子之间存在着强烈的铁磁性耦合.     

Co0.9Fe0.1薄膜面内元素分辨的磁各向异性

利用X射线磁性圆二色技术对Co_0.9Fe_0.1薄膜面内元素分辨的磁各向异性进行了研究，通过剩磁模式测量不同磁化方向的样品组分原子单位空穴磁矩的变化，发现除了在生长的磁诱导方向存在易磁化轴外，在与该轴垂直的方向还存在一个类似易轴的软磁化轴；面内的两个难磁化轴与易磁化轴取向大约成66°夹角，从而构成了面内双轴磁各向异性；对不同组分元素，其单位空穴磁矩随磁化方向的变化趋势基本相同，不同磁化方向Fe原子单位空穴的磁矩值约为Co的对应值的87%，反映了Fe原子和Co原子之间存在着强烈的铁磁性耦合. 关键词： 磁各向异性 X射线磁性圆二色 铁磁耦合 CoFe合金薄膜     

基于磁动力学方程的电流感应磁化翻转效应的宏观模型

提出了一个基于磁动力学方程的宏观唯象理论模型，对纳米级赝自旋阀结构的电流感应磁化翻转效应给出了明晰的物理解释：流入自由层的净自旋流和自由层内的自旋弛豫过程的共同作用，导致自由层总磁矩随时间的改变，甚至产生磁化方向的翻转.模型将“铁磁/非铁磁”界面的自旋相关散射，以及铁磁层中的自旋积累和弛豫过程，统一于宏观的磁动力学方程中.通过求解该方程的解析解，给出了赝自旋阀在电流激励下的磁化翻转条件和临界电流密度的表达式.对该效应的定性解释和数值模拟结果都和实验报道良好符合.根据模型分析了影响临界电流密度的诸因素，并指出提高器件性能的途径. 关键词： 电流感应磁化翻转 磁动力学方程 自旋电子学     

电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展

电学方法调控磁性材料及器件的磁性是当前自旋电子学研究的热点之一.本综述简要介绍利用电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展.首先简述了自旋极化电流的产生、自旋流与局域磁矩之间的作用原理以及对应的Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski磁动力学方程;然后分别讨论了单层磁性材料、铁磁层/重金属、铁磁层/非磁金属/铁磁层等不同结构中的电流诱导磁化翻转或驱动畴壁运动;最后介绍了利用压电效应、磁电耦合效应和栅极电场效应三种电压方式对磁矩的调控.在此基础上,对电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动进行了总结和展望.     

低温下铁磁性金属中由电子-磁子散射导致的各向异性磁阻效应

本文采用Kubo公式计算了低温下铁磁性的含局域磁矩的金属中由于电子-磁子散射而导致的电阻,并分析了其磁阻随温度和外加磁场的变化情况.在各向同性近似下,小动量转移的电子-磁子散射导致了低温下的电阻正比于温度的平方:ρ~T~2.当考虑了实际材料磁有序的各向异性后,其磁阻效应显示出显著的各向异性特征:沿着材料的磁化方向施加磁场时,磁阻为负;而垂直于磁化方向施加磁场时,由于自旋涨落的增强,磁阻为正.本文的计算结果与实验观察到的铁磁金属材料HoAl_2和La_(1-x)Ca_xMnO_δ的磁阻行为相符.     

低温下铁磁性金属中由电子-磁子散射导致的各向异性磁阻效应北大核心CSCD

本文采用Kubo公式计算了低温下铁磁性的含局域磁矩的金属中由于电子-磁子散射而导致的电阻,并分析了其磁阻随温度和外加磁场的变化情况.在各向同性近似下,小动量转移的电子-磁子散射导致了低温下的电阻正比于温度的平方:ρ~T^2.当考虑了实际材料磁有序的各向异性后,其磁阻效应显示出显著的各向异性特征:沿着材料的磁化方向施加磁场时,磁阻为负;而垂直于磁化方向施加磁场时,由于自旋涨落的增强,磁阻为正.本文的计算结果与实验观察到的铁磁金属材料HoAl_2和La_(1-x)Ca_xMnO_δ的磁阻行为相符.     

石墨烯沟道全自旋逻辑器件开关特性

由于石墨烯的电导率相比典型的金属材料更大,自旋弛豫时间更长,自旋轨道相互作用更弱,从而在相同的注入电流情况下,自旋电流在石墨烯材料中的耗散作用更弱.基于自旋传输和磁化动力学耦合模型,研究了石墨烯沟道全自旋逻辑器件的开关特性.结果显示,在相同的电源电压下和器件尺寸下,石墨烯沟道材料的全自旋逻辑器件磁矩翻转时间比Cu沟道更短,流入输出纳磁体的自旋电流更大.同时,长度越短、宽度越窄的沟道其开关时间更短,功耗更小.在满足磁体磁矩翻转的临界开关电流的情况下,石墨烯沟道的可靠工作长度也显著大于Cu沟道.所以石墨烯材料是相比于金属材料更理想的沟道材料.另外,通过合理选择沟道尺寸,能进一步降低器件开关时间和功耗.上述结论为全自旋逻辑器件的优化设计与应用提供了理论参考.     

NiFe/Pt薄膜中角度相关的逆自旋霍尔效应

NiFe/Pt双层薄膜样品在铁磁共振时, NiFe磁矩进动所产生的自旋流注入到Pt层中, 由于逆自旋霍尔效应产生直流电压V_ISHE, 此电压会叠加到NiFe薄膜由于自旋整流效应而产生的电压V_SRE 上, 实验测量所得电压为V_ISHE和V_SRE的叠加. 为了区分这两种不同机理对电压的贡献, 本文采取旋转外加静磁场的方法, 通过分析所测电压随磁场角度的变化从而分离出V_ISHE 的大小. 研究结果表明, 相比于单层NiFe(20 nm)薄膜样品, NiFe(20 nm)/Pt(10 nm)双层膜样品中由于NiFe自旋注入到Pt 中导致铁磁共振线宽增加. 与逆自旋霍尔效应产生的电压相比, 自旋整流效应的贡献较小, 但不可忽略. 本文工作有助于认清铁磁/非磁性金属材料中的自旋相关效应, 并提供了一种准确的分析逆自旋霍尔效应的方法.     

Sm_2(TM)_17合金的磁性(自旋再取向相变)研究

本文研究了Sm_2(FeNiCoM)_(17)合金(M为非磁性组元)的磁性。样品由六角结构无序型的2∶17主相及少量FeNi合金杂相组成。在六角结构的e轴方向(易磁化方向)观察到下述异常现象:低温(273K以下)时的磁化及反磁化曲线发生明显的跃变,跃变时相应的磁场H_r随温度下降而增大;磁滞迴线是蜂腰型的,温度愈低蜂腰愈明显;升温时磁化强度随温度变化(1.5K至居里点T_C)的曲线上出现极大值,其相应的温度T_t随磁场增大而降低;降温时观察到了热磁滞后现象。但在基面(难磁化方向)上及Co含量增多(>18at％)时,样品却表现了正常的铁磁行为。本文提出用磁矩非共线结构排列的自旋再取向相变来解释上述异常现象,并给出自旋倒向所需越过的能垒高度U=9.2×10~(-15)erg,用设想磁结构的模型得到的磁化强度的计算值与实验值也符合得较好。     

基于二维材料的自旋-轨道矩研究进展

在具有自旋-轨道耦合效应的材料中,电荷流能够诱导产生垂直于电流方向的纯自旋流,当其注入近邻的磁性层时,会对其磁矩产生自旋-轨道矩.自旋-轨道矩能够快速、高效地翻转磁矩,为开发高性能的自旋电子器件提供了一种极佳的磁矩操控方式.二维材料由于具有很多的优点,如种类丰富、具有多样化的晶体结构和对称性、能够克服晶格失配形成高质量的异质结、具有强自旋-轨道耦合、电导率可调等,为研究自旋-轨道矩提供了独特的平台,因此引起了人们的广泛关注.本文涵盖了近年来与二维材料及其异质结构中自旋-轨道矩研究相关的最新进展,主要包括了基于非磁性二维材料(如MoS_2, WSe_2, WS_2, WTe_2, TaTe_2, MoTe_2,NbSe_2, PtTe_2, TaS_2等)和磁性二维材料(如Fe_3Ge Te_2, Cr_2Ge_2Te_6等)的异质结中自旋-轨道矩的产生、表征和对磁矩的操控等.最后指出了目前研究中尚未解决的问题与挑战.     

Sm2(TM)17合金的磁性(自旋再取向相变)研究

本文研究了Sm₂(FeNiCoM)₁₇合金(M为非磁性组元)的磁性。样品由六角结构无序型的2∶17主相及少量FeNi合金杂相组成。在六角结构的e轴方向(易磁化方向)观察到下述异常现象:低温(273K以下)时的磁化及反磁化曲线发生明显的跃变,跃变时相应的磁场H_r随温度下降而增大;磁滞迴线是蜂腰型的,温度愈低蜂腰愈明显;升温时磁化强度随温度变化(1.5K至居里点T_C)的曲线上出现极大值,其相应的温度T_t随磁场增大而降低;降温时观察到了热磁滞后现象。但在基面(难磁化方向)上及Co含量增多(>18at％)时,样品却表现了正常的铁磁行为。本文提出用磁矩非共线结构排列的自旋再取向相变来解释上述异常现象,并给出自旋倒向所需越过的能垒高度U=9.2×10^-15erg,用设想磁结构的模型得到的磁化强度的计算值与实验值也符合得较好。 关键词：     

Ho2(Co,Si)17化合物的结构与磁晶各向异性

用三弧Czochralski法和真空电弧熔炼法制备了Ho2Co17-xSix化合物.通过X射线衍射和磁性测量手段研究了化合物的结构与内禀磁性.重点讨论了磁晶各向异性和自旋重取向转变.实验结果表明,Ho2Co17为Th2Ni17型六角结构,在05≤x≤3的化合物均为Th2Zn17型菱方结构,能够获得单相2∶17型化合物的最大Si含量是x=3.在x≤2的浓度范围,化合物的易磁化方向垂直于c轴.随Si含量增加,化合物的居里温度和Co原子平均磁矩单调减少.根据Ho2Co17-xSix化合物的居里温度和自旋重取向温 关键词：     

δ势垒对多臂量子环中持续电流的影响

提出了含δ势垒的多臂量子环模型.研究发现总磁通为零时,持续电流随半导体环增大发生非周期性振荡,下臂因含δ势垒而获得最小的平均持续电流.AB磁通增强时,持续电流会发生周期性等幅振荡,并与电极的磁矩方向以及隧穿电子的自旋方向相关.两电极磁矩方向平行时,Rashba自旋轨道耦合具有改变持续电流相位和相位差的效应;两电极磁矩方向反平行时,Rashba自旋轨道耦合具有改变持续电流振幅的效应.各臂之间持续电流的不同与臂长和磁通分布的差异相关.在一定条件下,两种波函数所对应的持续电流是可分离的. 关键词： 多臂量子环 持续电流 δ势垒 Rashba自旋轨道耦合