自旋霍尔效应自旋矩驱动磁矩翻转和进动的研究

The magnetization reversal and precession driven by the spin-transfer torque is one of hot research field in the academia. Recent experimental studies show that besides the spin-transfer torque,the magnetization reversal and precession can also be driven by the spin torque from spin hall effect. Comparing with spin transfer effect, the spin hall effect not only can be more efficient in terms of applying a large spin torque to a ferromagnetic layer, but also can provide a more simple configuration for making highly reliable spin-torque devices. In this project, by linearizing the Landau–Lifshitz–Gilbert equation including spin hall effect torque term and taking stability analysis, we plan to theoretically investigate the magnetization reversal and precession driven by the spin torque from spin hall effect. Through discussing the dependence of critical switching current, switching time, precession frequency on the external magnetic field and material parameters, we hope to find out the physics mechanism of magnetization reversal and precession driven by the spin torque from spin hall effect. Through these researches, we can not only rich the theory of spin torque from spin hall effect，but also provide useful guide for further experiment.

自旋转移矩驱动磁矩翻转和进动是目前学术界研究的热点领域之一。最近的实验研究表明：除了自旋转移矩外，自旋霍尔效应产生的自旋矩也可以驱动磁矩翻转和进动。与自旋转移效应相比，自旋霍尔效应不仅在施加大的自旋矩到铁磁层方面更加有效，而且为制造高度可靠的自旋矩器件提供了更加简单的新结构。本项目拟通过对包含自旋霍尔效应自旋矩项的Landau–Lifshitz–Gilbert方程线性化并进行稳定性分析，从理论上对自旋霍尔效应自旋矩驱动磁矩翻转和进动展开系统的研究。通过探讨引起磁矩翻转的临界电流、翻转时间以及磁矩进动频率随外磁场和材料参数的变化关系，找寻出自旋霍尔效应自旋矩驱动的磁矩翻转和进动的物理机制。通过该项目的研究，不仅能丰富自旋霍尔效应自旋矩理论，而且可以为进一步的实验研究提供有益的指导。

对纳米尺度磁性器件中自旋极化电流驱动的磁动力学开展系统深入研究，将极大推进基于自旋矩型新型自旋电子器件的开发。自旋极化电流不仅在自旋阀结构中通过自旋转移效应可以获得，在某些非磁性材料中通过自旋霍尔效应也可以产生。本项目针对磁性薄膜结构中自旋转移效应和自旋霍尔效应驱动磁动力学的一些关键问题开展研究。项目执行期间主要取得以下几个有意义的结果：1）利用线性展开包含自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert方程的方法，研究了垂直磁各向异性自旋阀结构中磁场激发和调节的铁磁共振，得到了磁场激发和调节的铁磁共振谱，揭示了共振线宽、共振频率和共振磁场随直流电流密度大小和方向以及直流磁场的变化关系；2）以铁磁/重金属双层膜结构为理论模型，利用线性稳定性分析的方法，对自旋霍尔效应自旋矩驱动的磁矩翻转和进动展开了研究。建立了以电流密度和磁场方向为控制参数的磁性状态相图。发现通过调节电流密度和外磁场，可以获得不同的磁性状态，当外磁场的方向在一定的范围时，通过调节电流密度可以实现磁矩的翻转和进动；3）此外，在自旋轨道耦合调制泵浦以及自旋场效应晶体管输运性质等方面也得到了一些成果。通过该项目的研究，为实现自旋电子学器件的实际应用提供了有价值的参考。