利用电子自旋共振研究磁性金属多层膜中的逆磁电耦合效应

Magnetoelectric (ME) effect includes two sides, the direct and the converse effects. The former refers to controlling electric properties by magnetic fields (such as magnetoresistance) and the latter refers to the manipulation of magnetic properties by electric fields. In the past two decades, the direct ME effects have been intensively studied and widely used in spintronics devices. In contrast, the investigation of the converse ME effect is still at the early stage. When a magnetic layer is deposited on a piezoeletric or dielectric substrate, the coupling at the interface may induce a large converse ME effect at room temperature. In this project, we will investigate the converse ME effect in a series of magnetic multilayers by employing an unique electron spin resonance technique with applied E field. The goal is to understand the physical mechanism underlying the ME effects and find new magnetic multilayers that are promising for application. We have developed the first example of E-field ESR technique in China, which enables us to measure the change of ESR spectra (including FMR, EPR, and AFMR) with applied E-field. Thus, we can obtain the information on the converse ME effect as a function of electric field, temperature, time, and orientation.

磁电耦合效应包括正逆两方面，正磁电耦合效应是指利用磁场控制材料的电学性质（如磁电阻），而逆磁电耦合效应是指利用电场控制材料的磁性质。在过去的二十多年中，以磁电阻为代表的正磁电耦合效应已经得到了广泛的研究，并推动了自旋电子学的发展。然而，逆磁电耦合效应的研究还处于探索阶段，尚未得到实际应用。单相材料中的逆磁电效应通常都很微弱。在磁性多层膜结构中，利用界面处的耦合效应（应力传递，电荷积累，交换偏置等），有望实现室温下大的逆磁电耦合效应。本项目计划利用独特的电场下电子自旋共振技术研究一系列铁磁金属多层膜中的逆磁电耦合效应，阐明其磁电耦合的微观物理机制，寻找到具有应用前景的磁性多层膜结构。本项目采用的实验技术为国内独创，可以测量外加电场下磁性薄膜的电子自旋共振谱（包括铁磁共振、顺磁共振和反铁磁共振等）的变化，进而获得逆磁电耦合效应随电场、温度、时间、角度等参数的变化。

多铁性材料与磁电耦合效应不仅蕴含丰富的基础科学问题，也具有重要的应用前景。本项目研究了一系列铁磁金属/铁电复合异质结构以及单相多铁性材料中的磁电耦合效应，并基于磁电耦合效应设计开发了新型信息功能器件，取得的重要结果包括：在铁磁金属/铁电复合异质结构中实现了室温下大的磁电耦合效应；揭示了一种由螺旋磁有序导致室温磁电耦合效应的新物理机制并在单相材料中实现了室温下的磁电耦合效应；基于铁磁金属/铁电复合异质结构的非线性磁电耦合效应设计出一种新型非易失信息功能器件-忆耦器，成功演示了在室温下的非易失信息存储、多态存储和逻辑运算等功能；利用电子自旋共振谱研究了磁性金属MnNiGa中拓扑磁性斯格明子的演化与调控，揭示了零磁场下稳定的高密度斯格明子的物理机制。研究成果已在国际知名学术期刊Nano Lett, Phys. Rev. Applied, Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett., Sci. Rep.等发表SCI论文11篇。