同步辐射时间分辨扫描透射显微平台及磁性纳米结构的磁化动力学研究

Magnetic nano-structure has giant and valuable applications in information industry, which are the technical base of magnetic storage devices, magnetic sensors and magnetic logical devices. Magnetic nano-structure causes much concerns in research as well because it produces rich physics phenomena due to the quantum effect in nanoscale. The research on magnetic nano-structure in stable state becomes more and more insufficient. It is necessary to research the magnetization dynamics of magnetic nano-structure. In this project, the time resolved scanning transmission x-ray microscopy will be developed with 10ps time resolution and 30nm spatial resolution based on the soft x-ray spectra-microscopy beamline in Shanghai Synchrotron Radiation Facility. A platform with spectroscopy, spin resolution, spatial resolution and time resolution will be established and open to the users. We will do researches on the magnetization dynamics on the magnetic vortex structures based on the established platform. We will explore the optimization of magnetic vortex geometry and motivating methods, find the way to decrease the reversal time and threshold, and to improve the stability, optimize the geometry and motivating magnetic field or current to understand the mechanism of magnetic vortex structures and establish the physics base of magnetic vortex random access memory.

磁性纳米结构在信息产业具有巨大的应用价值，是磁存储器件、磁传感器和磁性逻辑器件等新型自旋电子器件的技术基础，并且尺寸的减小会使磁性纳米结构产生宏观尺度下不具备的量子效应，呈现出丰富的物理现象，引起人们极大的研究兴趣。随着研究的逐步深入，对磁性纳米结构在稳定状态下的静态研究已难以满足需求，充分理解磁性纳米结构的磁化动力学特征具有非常重要的理论和实际意义。本项目拟基于上海光源软X射线谱学显微线站，发展时间分辨的扫描透射显微技术，实现具有元素分辨能力的10皮秒级时间分辨、30nm空间分辨的纳米成像技术，为广大科学工作者提供一个集谱学分析、自旋分辨、空间分辨和时间分辨于一体的多功能研究平台。同时利用该平台开展磁涡旋结构的磁化动力学研究，探索磁涡旋结构的形态及触发条件的优化，寻找降低磁涡旋的翻转时间、触发阀值和提高稳定性的途径，理解其微观机制，为研制以磁涡旋为基础的自旋电子器件奠定物理基础。

我们依托上海光源谱学显微光束线站（STXM线站），结合泵浦探测和XMCD技术，实现了时间分辨的STXM方法。实验装置包括定时延时系统、时间分辨电子学系统和微波激励系统。实现了微波与光束时钟之间的锁相，具有最小5皮秒的相位调节步长。系统的时间分辨率达到13ps RMS，增强了STXM线站的实验能力，可以在皮秒尺度上研究自旋电子器件的动力学过程，是研究自旋电子器件的自旋翻转机制、提高翻转速度和稳定性的重要工具。该装置已对用户开放，为国内广大科学工作者提供了一个集谱学分析、自旋分辨、空间分辨和时间分辨于一体的多功能研究平台。.同时围绕磁涡旋等领域进行了若干前沿研究。研究了D2h对称结构中磁涡旋手征性和极性的独立控制，包括圆形、矩形、正多边形、不规则图形等结构，通过改变面内磁场的方向即可实现磁涡旋四种状态的任意控制。进一步，针对双圆磁涡旋结构，实现了两个方向互相垂直的面内百皮秒量级双脉冲磁场快速控制磁涡旋的极性，翻转过程仅需2ns，且末态极性和初态无关，只受双脉冲场的组合次序控制。从体系能量分析了涡旋核极性的翻转机制，当脉冲磁场的旋转频率与双圆系统的本征频率相当时，需要的脉冲幅度最小，仅需要20~30 mT，即功耗最低。.另外利用研发的时间分辨STXM研究了不同体系中自旋流和电荷流的转化。开展了磁性拓扑绝缘体中自旋流和电荷流转化的电学操控及机理研究，基于铁电与磁学材料之间具有的磁电耦合效应以及磁性拓扑绝缘体中具有的强自旋轨道耦合效应，构建了铁电(PMN-PT)/磁性拓扑绝缘体(Cr-BST)/铁磁金属(Py)的异质结，获得了高效的受电场操控的转化效率，调控比率最高达400%。研究了不同相结构的Ta/Ni81Fe19双层膜体系中界面的自旋损耗。相比于(α+β)相双层膜体系，α相双层膜虽然自旋泵浦效率较低，但界面自旋损耗最小，只有(α+β)相的20%，有利于自旋流的传输，更适合于开发低功耗自旋电子器件。