磁性多层膜中自旋流的产生、传输和探测规律及其应用

We plan to carry out the studies of the generation, transport and detection of the pure spin current, aiming for understanding its underlying mechanism and raise the efficiencies of the pure spin current generation and detection. The outline of our studies is described as: (1) combine the experimental approaches of spin pumping and spin Seeback effect to study the static injection of the pure spin current from ferromagnetic layer to nonmagnetic layer, unveil the pure spin current injection mechanism and understand the effects of spin-orbit coupling strength and interface roughness etc., on the spin injection; develop the methods to quantify the spin Hall angle and spin diffusion length, at the mean time, search for the high quality materials which have both large spin Hall angle and long spin diffusion length; (2) Utilize the ultrafast THz generation to probe the law of injection and transport of the ultrafast pure spin current generated by the femtosecond laser; find the similarity and differences between the static and ultrafast nonequilibrium pure spin current; raise the efficiency of the ultrafast THz generation and explore the new applications of the ultrafast pure spin current. These studies will be beneficial for design and construction of the pure spin current based novel low-power spintronic devices and will make an important step for exploring the next generation information technology in the coming post-Moore era.

对磁性多层膜中自旋流的产生、输运与检测进行深入研究，提高自旋流的产生和探测效率，研究自旋流的输运规律，将有助于设计、构建新型的自旋流电子器件，对于自旋电子学研究的进一步发展、探索后摩尔时代新技术具有重要意义。本项目申请将：（1）利用铁磁共振自旋泵浦效应和温度梯度自旋塞贝克效应两种实验方法研究自旋流从铁磁层向非磁层的稳态注入，探索铁磁/非磁界面的自旋流注入机理以及界面自旋-轨道耦合作用如何影响自旋注入效率，正确标定磁性材料体系的自旋霍尔角和自旋扩散长度，寻找同时具有较大的自旋霍尔角和较长的自旋扩散长度的材料；（2）利用飞秒激光产生飞秒尺度超快自旋流，并利用超快太赫兹产生实现超快自旋流的探测，研究磁性多层膜中超快自旋流的注入和输运规律，以及其与稳态自旋流传输规律的差异，探索新型超快自旋流-电荷流转换机制，提高超快太赫兹产生的效率，发现新型的超快自旋流的应用。

对磁性多层膜中自旋流的产生、输运与检测进行深入研究，提高自旋流的产生和探测效率，研究自旋流的输运规律，将有助于设计、构建新型的自旋流电子器件，对于自旋电子学研究的进一步发展、探索后摩尔时代新技术具有重要意义。本项目利用自旋相关输运测量、自旋塞贝克效应、磁共振自旋泵浦效应，以及超快太赫兹产生等研究方法，开展了从直流到微波频段再到太赫兹频段的自旋相关输运特性研究，发现了一些新型的物理现象，取得一系列的研究成果。主要研究结果包括：1）在磁性异质结构中确认了基于逆Rashba-Edelstein效应的超快太赫兹发射机理，并利用电学测量方法也确认了界面逆Rashba-Edelstein效应的存在；2）在单晶铁CoFe磁超薄膜确认了拓扑能带结构对于各向异性磁电阻调控的物理机制，并发现其中存在巨大的各向异性磁电阻电流取向效应和巨大的磁阻尼各向异性； 3）实验上发展了强自旋轨道耦合材料的自旋霍尔角和自旋扩散长度的自洽测量方法，在银/铋-铁磁材料体系发现界面Rashba-Edelstein的起源，并发现磁性金属中平面霍尔效应的整流信号；4）发现了一种利用光学方法测量反铁磁磁畴的新方法,并发现铁磁/反铁磁异质结构中交换力矩对于反铁磁磁畴翻转的影响；5）在拓扑半金属材料和重费米子关联材料中研究了手性超快太赫兹发射和吸收特性；6）利用磁性微纳结构的设计和磁场对磁性微结构的调控，实现对自旋电子学太赫兹发射的强度和偏振的调控。基于上述研究成果，发表学术论文73篇， 其中PRL 6篇， Nature Communications 3篇，Science Advances 3篇，PRB/Applied 26篇，申请发明专利7项, 专利授权3项。项目执行期间，共培养博士13名，硕士7名。 在国际重要学术会议上做邀请报告14人次。项目负责人吴义政教授于2018年获得上海市创新领军人才称号和科技部“中青年科技创新领军人才”称号。