反铁磁绝缘体中自旋流输运现象的研究

Antiferromagnetic insulators (AFI) play a key role in the novel antiferromagnetic spintronic devices such as ferromagnet/antiferromagnet/normal metal heterostructures. However, there exists a significant discrepancy in understanding the mechanism of spin current transport in AFI. This project aims to investigate spin Hall magnetoresistance, spin pumping, and spin Seebeck effect in ferromagnetic insulator (FMI)/antiferromagnetic insulator (AFI)/normal metal (NM) heterostructures. It will be organized as follows: (1) fabricate FMI/AFI/NM heterostructures of high quality and high repeatability, and investigate spin current transport behaviors in above three phenomena; (2) tune the interface spin configuration of AFI by field cooling and training effect, and study effects of AFI spin configuration on spin current transport behaviors in above three approaches at fixed temperature; (3) disentangle FMI/AFI interfacial and AFI bulk effects on spin current transport in the inverted NM/FMI/AFI heterostructures. This project will systematically elucidate the spin current transport mechanism in AFI materials, and be helpful to develop the antiferromagnetic spintronics devices.

反铁磁绝缘体在铁磁/反铁磁/非磁金属异质结等新一代反铁磁自旋电子学器件中起着关键作用。但是，对其中自旋流传输机制的理解存在巨大争议。本项目以铁磁绝缘体/反铁磁绝缘体/非磁金属异质结为例，针对其自旋霍尔磁电阻效应，自旋泵浦效应和自旋塞贝克效应，从以下几个方面开展研究：（1）制备高质量、高重复性的铁磁绝缘体/反铁磁绝缘体/非磁金属异质结，研究三种不同效应中自旋流输运机制的异同；（2）通过多种磁场冷却技术以及磁锻炼效应，实现反铁磁自旋组态控调，在固定温度情况下，研究反铁磁自旋组态对自旋流传输特性的影响；（3）研究非磁金属/铁磁绝缘体/反铁磁绝缘体反转异质结中自旋流传输特性，甄别铁磁/反铁磁界面和反铁磁体效应对自旋流输运的贡献。本项目的实施将厘清反铁磁中自旋流传输的物理本质，有助于推动反铁磁自旋电子学及其器件应用的发展。

反铁磁作为传统的磁性材料，常在自旋阀和磁性隧道结中做钉扎层用。近年来，研究学者发现，反铁磁材料由于能带结构和对称破缺的影响，可以产生很大的反常/自旋霍尔效应，并具有很长的自旋弛豫长度。本项目提出反铁磁绝缘体/磁性绝缘体异质结，可以有效的产生并传输自旋流特别是磁振子流。1)本项目制备了高质量的反铁磁/磁性绝缘体异质结。我们发现自旋流强度及其引起的自旋相关输运性质可以受到多种因素的有效调控。2)研究了亚铁磁绝缘体YIG/Pt异质结的自旋塞贝克效应，发现受到磁振子-声子耦合作用的影响，其中磁振子的非弹性散射起到重要作用，厘清了磁振子极化子弛豫机制问题。3)研究了FePdPt有序合金中反常能斯特效应受到自旋轨道耦合的影响，反常能斯特系数与自旋轨道耦合强度呈正相关。4)通过薄膜应力调控反铁磁Mn3Sn薄膜中的反常能斯特效应，其数值变化可达到1倍，并通过第一性原理计算理清其中机制。5)发现YIG/Pt异质结中的自旋塞贝克效应和自旋泵浦效应受到CoO反铁磁插层的影响，其数值变化可达100%。另外在上述研究过程中，我们发展出一种利用磁性AFM针尖操控薄膜纳米微区磁畴的方法，可以驱动微区磁化翻转和实现交换偏置磁锻炼效应。