单晶铁磁金属/重金属异质结构中自旋-轨道力矩效应研究

Through the current in the non-magnetic layer, the spin-orbit torque effect in metallic ferromagnet/heavy metal heterostructure can be used to tune the reveral of magnetic domain, domain wall motion and the spin dynamics properties in the ferromagnetic layer. The spin-orbit torque effect is a recently discovered physics effect driven by the spin-orbit coupling, which exhibits abundant physical phenomina and great potential applications in spintronic devices, but its physics mechanism still remains strong controversy. In this proposal, we will use the Molecular Beam Epitaxy to grow single crystalline metallic ferromangetic/ heavy metal heterostructure, and study the spin-orbit torque effect in high quality single crystalline films. The main task is to study the effect of the spin-orbit coupling in the heavy metal film on the magentic properties and the spin-related transport properties in the magnetic layers. By tuning the film thickness, the interface property and the orientations of the current and magnetic field, we hope to correctly separate its contributions from the interface Rashba effect and Spin-Hall effect, and to figure out the physics mechanism of the spin-orbit torque effect, and try to find new physical phenomena related. We will try to search the methods and the systems to enhance the spin-orbit torque effect, and unilize this effect to design new spintronics device. We will study how the spin-orbit torque can influence the spin dynamics properties in the magnetic layer and its physics mechanism.

铁磁金属/重金属异质结构中的自旋-轨道力矩作用，可以利用非磁金属中的电流调控铁磁层中磁畴的翻转、畴壁的移动以及自旋动力学行为，是近年来发现的一种自旋-轨道耦合驱动的新型磁学效应，具有丰富的物理内涵和广阔的应用前景，但其内在物理机制还存在重大争论。本项目申请将利用分子束外延技术在绝缘衬底上外延生长单晶磁性金属/重金属异质薄膜，在高质量单晶外延薄膜体系内探索重金属中自旋-轨道耦合效应对于铁磁层磁性的调控，研究重金属中自旋-轨道耦合作用对自旋相关输运的影响；通过系统调控薄膜厚度、界面性质、电流方向以及磁场方向来正确区分界面Rashba效应和自旋霍尔效应贡献，厘清自旋-轨道力矩的内在机制，并追求新的物理发现；探索增强自旋-轨道力矩的方法，并利用自旋-轨道力矩效应设计新型的自旋电子器件；探索自旋-轨道力矩效应对自旋动力学效应影响及其微观物理机制。

本项目主要是利用分子束外延和激光分子束外延技术生长单晶铁磁薄膜、铁磁/非磁异质薄膜，制备磁性纳米结构，通过微波激发铁磁共振、非局域自旋阀自旋输运，以及超快激光激发等方法，研究单晶体系中自旋-轨道耦合作用驱动下的自旋相关输运效应的晶体各向异性、界面效应和超快特性，探索其中自旋相关输运现象和物理机制。经过四年的项目实施，我们共发表研究论文37篇， 其中 Phys. Rev. Lett.1篇、Nature communication 3篇(合作)，Phys. Rev. B/Applied 11篇、Appl. Phys. Lett. 5篇,scientific report 1篇。 在国际重要学术会议做邀请报告4次，并组织国内学术会议1次。毕业研究生10名，其中博士8名，硕士2名。 .本项目取得的科学研究成果主要有:1) 在铁磁/非磁异质体系中，研究了飞秒激光激发的超快自旋流在逆自旋霍尔效应作用下产生的超快太赫兹发射，同时首次在Fe/Ag/Bi体系发现了界面逆Rashba-Edelstein效应导致的超快太赫兹发射。 2）研究了基于平面波导的铁磁共振测量和自旋-轨道耦合作用下的单向磁电阻，分离了单晶Pt/Fe(001)体系共线和非共线磁化状态下的自旋整流效应，以及非共振条件下的自旋泵浦效应与热效应，同时发现了Pt/Fe(001)体系中的单向磁电阻随温度的变号行为。3）在单晶外延磁性薄膜中研究了磁电阻效应和磁光克尔效应的磁晶各向异性，在单晶CoFe(001)合金薄膜中发现了磁电阻的巨大电流取向各向异性，首次发现了其中铁磁共振Gilbert弛豫系数随着磁矩取向的巨大各向异性。4） 制备了多种磁性微纳器件，研究了其中的自旋-轨道耦合相关现象：在非局域自旋阀结构中发现了多晶Cu纳米线中各向异性的自旋弛豫现象；制备了人工自旋冰结构，并首次利用一阶反转曲线方法研究并理解其磁化反转行为；制备了FeNi磁性圆盘并研究了其中的低能激发态。另外，利用微磁学模拟，我们研究了各向异性DM作用下的反斯格明子产生及其电流驱动行为，并指出特定角度下的自旋极化电流不会产生斯格明子霍尔效应，有助于提高斯格明子的运动极限速度。通过本项目的实施，达到了原定研究目标。