磁子转矩翻转磁矩研究

磁子是自旋波量子化的准粒子。磁子具有在绝缘磁性材料中无热耗散、低阻尼、长距离传输自旋的优势,避免了因电荷流动而产生焦耳热,可以克服日益显著的器件发热问题,因此磁子器件在低功耗信息存储与计算领域具有潜在应用前景。文章首先介绍了自旋波和磁子的概念,磁子具有的优势和研究价值;然后总结了磁子在铁磁和反铁磁绝缘体中输运以及新型磁子器件方面的最新研究结果;最后详细介绍了室温下实现磁子转矩驱动磁矩翻转的最新研究工作。这些工作对发展磁子学,实现低功耗、高速磁子型器件及应用具有较为重要的现实意义。     

磁子学中的拓扑物态与量子效应

近年来,随着物联网、云计算、大数据以及人工智能等新兴技术的快速发展,人们对计算能力的要求越来越高.传统半导体器件在小型化、节能和散热等方面面临着巨大的挑战,因此亟需寻找一种全新的信息载体代替电子进行信息传输与处理.自旋波是磁矩进动的集体激发,其量子化的准粒子称为磁子.磁子的传播不依赖于传导电子的运动,因此不会产生焦耳热,能够克服日益显著的器件发热问题,因此磁子器件在低功耗信息存储与计算领域具有重要的应用前景.本文介绍磁子学近年来的一些重要研究进展,主要包括自旋波的手性传播,自旋波与磁孤子非线性散射导致的磁子频率梳,磁孤子的拓扑边界态和高阶角态,以及磁子量子态、基于磁子的混合量子体系和腔磁子学.最后,对磁子学的未来发展趋势及其前景进行分析与展望.     

自旋霍尔纳米振荡器的非线性动力学及其应用

自旋霍尔纳米振荡器利用电流产生的自旋轨道力矩驱动磁性薄膜中磁矩进行高频进动,能在微纳尺度下实现全电学调控的相干自旋波和微波信号,是一类新型的纳米自旋电子学器件,在信息存储、处理和通信方面具有广泛的应用前景。基于强自旋轨道矩效应,人们近期在各类铁 磁/非磁重金属构成的双层薄膜结构中,已实现了多种不同自旋波模式的电学激发和调控,并对 其复杂的非线性动力学特性进行了深入的探究。基于这些前期的研究结果与最新的进展,我们在 本综述中对“对三角”结构的纳米间隙型、“蝴蝶结”型、纳米线型、垂直纳米点接触型以及阵 列等具有各类器件结构的自旋霍尔纳米振荡器所体现出来的丰富非线性动力学特性进行了详细讨 论与归纳,并对其在新型低能耗量子磁振子自旋器件和非冯诺依曼架构的自旋型人工神经网络计 算方面的潜在应用也进行了探讨。     

霍尔天平材料的多场调控

霍尔天平材料中层间耦合作用易于调控,基于此可以实现多组态磁存储模式,其区别于当前基于自旋阀或者磁性隧道结的传统二组态磁存储原理.与此同时,还可以在存储单元中实现信息的逻辑运算从而提高器件整体的运算效率.这一设计有利于自旋电子学器件的微型化、集成化,有望从物理原理上解决当前基于自旋阀或者磁性隧道结的传统二组态自旋电子学材料器件的技术瓶颈,进一步提高磁存储密度,为推动新型自旋电子学材料的研究开辟了一条新的研究思路.首先,本综述将介绍基于霍尔天平材料的磁存储器件的研究背景;其次,重点介绍霍尔天平存储逻辑器件一体化设计的提出与发展历程;再次,介绍霍尔天平材料关键指标-霍尔电阻比值的界面调控及物理机理探索;随后详细阐述霍尔天平体系中磁性斯格明子的产生与多场调控等动态行为.最后,简单介绍霍尔天平结构在其他相关材料中的扩展、应用,并展望其在未来器件应用中的前景.     

有机自旋电子器件中的自旋界面研究进展

自旋器件有望实现量子信息存储、传感和计算,是下一代数据存储和通信的理想器件.与无机自旋器件相比,有机自旋器件不仅可以实现传统无机自旋器件的功能,而且在同一有机自旋阀器件中会同时测到正负磁电阻信号,这是因为有机分子与铁磁电极在界面会发生自旋杂化而产生独特的自旋界面.通过控制自旋界面,可以改变界面处分子能级展宽和偏移程度,从而实现对磁电阻信号的可控调制.有机自旋阀器件发展迅速,但仍有一些问题亟待研究,如对自旋界面进行识别和表征,以及利用自旋界面对有机自旋阀信号进行操控等.针对上述问题,本文首先综述了有机自旋阀的基本原理,通过对比无机有机材料能级结构的差异解释了有机自旋阀中自旋界面形成的原因,对于有机自旋阀中磁电阻信号的增强和反转现象,利用自旋界面模型中能级展宽和偏移进行了解释;接着列举了自旋界面的实验识别案例,如利用对表面敏感的表征技术对自旋界面进行识别以及设计新颖的器件结构验证自旋界面的存在等;然后汇总了利用自旋界面调制自旋信号的相关工作,自旋界面的调制可以通过电场调节铁电层的铁电极化、诱导铁磁电极相变、界面化学工程和磁交换相互作用等方式实现;最后总结了有机自旋界面中仍需解决的问题,并对...     

磁性斯格明子的应用前景

近年来,磁性斯格明子在自旋电子学这门新兴学科中成为了一个重要的研究热点,备受人们关注。它是一种受拓扑保护的稳定自旋结构,具有尺寸小、退钉扎电流密度低和易操控等特点。与传统的磁畴壁、磁泡或者磁涡旋相比,磁斯格明子更有望作为数据信息的载体应用于未来的自旋电子学设备中,不仅可以大幅度地缩减器件的尺寸、降低能耗,同时也能确保信息的非易失性。文章重点介绍了磁性斯格明子在信息技术领域中的主要应用前景,比如信息存储、逻辑运算和神经形态计算等。     

一种数据非易失性、多功能和可编程的自旋逻辑研究进展

自旋(磁)逻辑器件具有数据非易失性、CMOS电路兼容性、操作速度快等优点,是开发计算存储相融合的非冯·诺依曼计算机架构的理想候选方案之一.本文进一步演示基于自旋霍尔效应的自旋逻辑方案.利用自旋霍尔效应不仅能够实现基本的布尔逻辑功能和数据存储功能,还可以利用自旋轨道力矩磁矩翻转的对称性要求、偏置磁场要求等,进一步实现自旋逻辑器件的可编程和多功能特性.利用这些特点,同一自旋霍尔逻辑器件可以实现"与"、"或"、"非"、"与非"、"或非"等功能.因为这些特性,基于自旋霍尔效应的自旋逻辑单元有望成为后续自旋逻辑器件和电路的核心器件,推动后者的持续开发与广泛应用.     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

微纳尺度多铁异质结中电驱动磁反转

近年来,多铁异质结中电控磁性研究引起了广泛关注,已成为多铁领域的热点.现代自旋电子学器件(如磁内存)通常利用电流产生的磁场或自旋转移扭矩效应驱动磁反转来实现数据擦写,但这带来高额能耗和热量,成为亟待解决的关键难题.而利用多铁异质结实施电场驱动磁反转则有望大幅降低能耗,从而实现高速、低能耗、高稳定性新型高密度磁存储、逻辑及其他自旋电子学器件.在当前器件发展的微型化趋势下,探索可集成化的微纳尺度电场驱动磁反转方案显得越发重要.本文针对发展新型磁电器件所面临的微型化关键问题,回顾了微纳尺度电场驱动磁反转研究的新进展,主要关注小尺度多铁异质结中电控磁的新特点、新方法及相关物理机理的实验和理论成果,讨论了进入纳米尺度将面临的挑战,并对未来研究工作提出一些展望.     

磁子霍尔效应

霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域,其起源可以追溯到数百年前. 1879年,霍尔发现将载流导体置于磁场中时,磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累,这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应.之后,一系列新的霍尔效应被发现,包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等.值得注意的是,霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化,因此在信息传输过程中扮演着重要的角色.在玻色子体系(如磁子)中,相应的一系列磁子霍尔效应也被发现,他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展.本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应,简述其现代半经典的处理方法,包括虚拟电磁场理论和散射理论等.并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源,概述了不同类型磁子的霍尔效应.最后,对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.     

自旋和电荷分别掺杂的新一类稀磁半导体研究进展

稀磁半导体兼具半导体材料和磁性材料的双重特性,是破解摩尔定律难题的方案之一.我们团队通过提出自旋和电荷分别掺杂的机制,研制发现了一类新型稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料自旋和电荷一体掺杂引起的材料制备瓶颈提供了有效解决方案.(Ba,K)(Zn,Mn)_2As_2(BZA)等新型稀磁半导体通过等价掺杂磁性离子引入自旋、异价非磁性离子掺杂引入电荷,实现了230 K的居里温度,刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录.本文重点介绍1)几种代表性的自旋和电荷掺杂机制分离的新型稀磁半导体的发现与研制; 2)新型稀磁半导体的μ子自旋弛豫与高压物性结构的调控; 3)大尺寸单晶生长、基于单晶的安德烈夫异质结研制以及自旋极化率的测量.通过新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的"全链条"模式研究,开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域,展现了这类新型稀磁半导体材料潜在的光明前景.     

薄膜异质结及二维材料中的磁斯格明子

磁斯格明子因具有拓扑稳定、移动速度快、尺寸小、驱动电流密度低等优异性质引起了人们的广泛关注。它被视作未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的理想信息载体。基于磁斯格明子的自旋电子学器件具有非易失、高读写速度、高存储密度以及低功耗的优势,从而能满足人们对高性能器件的要求。此外,拓扑性与磁性的结合使得磁斯格明子成为研究拓扑磁性物理的良好平台。文章简要介绍了磁斯格明子的发展概况及其拓扑物理性质,并着重讨论薄膜异质结及二维材料中磁斯格明子的研究进展,为今后进一步探索磁斯格明子相关研究领域抛砖引玉。     

钇铁石榴石自旋波导管中磁钉扎对自旋波模的影响（英文）

利用微磁模拟,研究钇铁石榴石自旋波导管边界的磁钉扎对其中自旋波动力学的影响。模拟结果表明：磁钉扎引起的双磁子散射将自旋波散射到多个方向,使得自旋波在k空间的分布更加分散。自旋波模的演化表明：不同自旋波模的共振场不同,而双磁子散射使得自旋波模的共振场更为接近。另外,双磁子散射通过改变自旋波模的弛豫速率,改变了自旋波模的共振强度,幅度可达40%。增大自旋波导能够降低磁钉扎的影响,可以用来提升自旋波导的性能。     

有机器件电流自旋极化放大性质研究

基于自旋扩散漂移方程,考虑到电场的影响及有机半导体中特殊的载流子电荷自旋关系, 对一个简单的T型结构有机自旋器件模型进行了理论研究,得出了此有机器件的电流自旋 极化放大率表达式.研究表明,器件中极化子比率、电场和电流密度都会影响器件的电流 自旋极化放大率,通过调节此有机器件的电场和极化子比率可以获得较大的电流自旋 极化放大率.     

有机Co/Alq3/La1－xSrxMnO3(LSMO)器件磁电阻的温度效应研究

根据最近关于温度对有机磁电阻影响的实验研究,利用漂移-扩散方程,计入温度对极化子迁移率和自旋弛豫时间的影响,研究了有机半导体中自旋极化率随温度的变化,进而利用Julliere公式给出器件的磁电阻.发现,在温度较低的区域磁电阻减小幅度大于温度较高的区域,磁电阻随温度变化的主要因素为自旋弛豫时间.最后将计算结果与实验数据作了比较,得到与实验相符合的结果. 关键词： 有机自旋电子学 极化子 温度 磁电阻     

薄膜异质结中磁性斯格明子的相关研究

磁性斯格明子由于具有拓扑保护、尺寸小、驱动电流密度低等优异的属性,有望作为未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的信息载体.为了满足器件中信息写入和读取的基本要求,需要在室温下实现斯格明子的精确产生、操控和探测.该综述简要介绍最近我们针对上述问题取得的一系列研究进展,包括:1)证明可以通过控制磁性薄膜材料的垂直磁各向异性在室温下产生斯格明子,并进一步在基于反铁磁的薄膜异质结中发现了室温、零磁场下稳定存在的斯格明子;2)证明能够利用电流产生的自旋轨道力矩操控斯格明子,并进一步制备出一种基于斯格明子的原理型器件,实现了利用电学方式产生和操控数量可控的斯格明子.     

有机自旋阀的磁电阻性质研究

考虑到有机半导体中极化子和双极化子特殊的电荷-自旋关系,从自旋扩散方程和欧姆定律出发,理论研究了"铁磁/有机半导体/铁磁"有机自旋阀结构中的磁电阻性质.计算发现,磁电阻在数值上随有机半导体层中极化子比率的增加而增大,随有机半导体层厚度的增加而迅速减小.同时发现自旋相关界面电阻能在很大程度上提高系统的磁电阻.讨论了铁磁层和有机半导体电导率比率、铁磁层极化率等对系统磁电阻性质的影响. 关键词： 磁电阻 有机自旋电子学 极化子     

自旋电子学和计算机硬件产业

1988年发现的巨磁电阻(GMR)效应,是基于自旋的新电子学的开始.文章介绍观察效应的物理基础,以及这些效应和材料在信息存储上的应用.GMR硬盘(HDD)已经形成了数十亿美元的工业;其后发现的室温隧道磁电阻(TMR)效应已用于制造新的磁随机存储器(MRAM),它正在开创另一个数十亿美元的工业.自旋电子学研究的物理对象是自旋向上和自旋向下的载流子,而传统半导体电子学的对象是电荷为正和电荷为负的载流子,即空穴和电子.电子自旋特性进入半导体电子学,为新的器件创造了机会.为了成功地将电子自旋结合到半导体微电子技术中去,需要解决磁性原子自旋极化状态的控制,以及自旋极化载流子电流的有效注入、传输、控制、操纵和检测.评述了基于电子自旋的新器件原理、新材料的探索以及自旋相干态的光学操纵.     

超快太赫兹自旋光电子学研究进展（特邀）

太赫兹科学技术在光谱、成像、传感、生物医药、安全检测等方面展现出了巨大的应用潜力和价值。基于新材料和新机理,研发高效、超宽带和低成本的太赫兹光子学器件是太赫兹科学技术的重要挑战。近年来的研究表明,太赫兹光子学和超快自旋电子学深度交叉,获得了很大的关注。本文对超快太赫兹自旋光电子学所研究的物理机理和器件设计应用进行讨论。在物理机理研究方面,阐明了太赫兹脉冲为研究超快自旋电子学提供强大工具,实现了太赫兹驱动自旋波,探测自旋输运和超快磁测量。在器件设计与应用方面,介绍了基于自旋的新型太赫兹光子学器件,包括自旋太赫兹辐射源的优化方法,自旋太赫兹调制器的工作原理,自旋太赫兹探测器的设计方案。超快太赫兹自旋光电子学不仅有助于人们理解宏观自旋电子学现象背后的微观物理机制,而且有望实现高效的太赫兹光子学器件和光谱学应用。     

微波声学和微声器件的发展和应用

微波声学是一门新兴学科,十多年来发展迅速,并且已根据其原理发展出一系列新型的微声器件．本文简单地介绍了微声体波与表面波目前达到的水平,微波声子与电子、热声子、磁子、电子自旋量子以及核自旋量子等的相互作用以及它在研究固体方面的应用;表面声波的传播规律和表面波微声器件的现状及其发展前景;微声材料的现状及要求等．也指出了上述诸方面还存在的问题和其发展前途．重点放在表面声波及其器件方面．