超快时间分辨磁光克尔效应对半金属磁性材料自旋极化度的探测研究

Because of 100% spin polarization of conduction electrons, half metal materials promise important applications in the field of spintronics. The measurements, knowledge, and understanding of spin polarization of conduction electrons in half metal materials are essential for their applications in spintronics devices. Recently, ultrafast time-resolved magneto-optical Kerr effect (TR-MOKE) was developed to probe the spin polarization of conduction electrons in half metal materials. The method of TR-MOKE can overcome the drawbacks of surface-sensitivity, or interface-sensitivity, or fabricating devices in "classical" methods. In this proposal, we will build an ultrafast time-resolved magneto-optical Kerr effect set-up and grow half metal materials based on Fe3O4 with molecular beam epitaxy (MBE). We will use the time-resolved magneto-optical Kerr effect to probe the ultrafast demagnetization and obtain the demagnetization time of half metal materials. From the demagnetization time, we can get the information of spin polarization of conduction electrons in half metal materials, and thus reveal the facts and physical mechanisms influencing the spin polarization. Based on such understanding, we will explore suitable half metal materials with high spin polarization, and develop their applications in spintronis devices.

半金属磁性材料因为具有高达100% 的传导电子自旋极化度而在自旋电子学领域有着重要的应用前景，对其传导电子自旋极化度的测量、认识和理解对半金属磁性材料在自旋电子学器件中的应用是必不可少的。近年来，国际上发展了使用基于飞秒激光的超快时间分辨磁光克尔效应探测半金属磁性材料的传导电子自旋极化度，能够克服传统经典测量方法存在的表面和界面敏感,以及要把样品制作成器件的局限。 本项目首先建立一套基于飞秒激光的超快时间分辨磁光克尔效应实验系统，使用分子束外延设备生长Fe3O4系列的半金属磁性材料，使用超快时间分辨磁光克尔效应研究半金属Fe3O4系列材料的超快退磁化过程，从退磁化时间获得传导电子自旋极化度的信息，揭示影响半金属材料传导电子自旋极化度的各种因素和物理机制，寻找具有高自旋极化度的半金属磁性材料，发展半金属磁性材料在自旋电子学器件中的应用。

在本项目的支持下，我们建设了超快磁光克尔效应系统和相应的微区测量系统，并在系统中集成了时间分辨反射谱和透射谱测量的功能。使用建设的超快克尔效应系统，对Fe3O4、CoMnSi和CoFeAl的退磁磁化效应和CoFeB系列材料的超快磁化强度进动过程展开了探测研究。在Fe3O4/MgO上观察到0.93 ps的退磁化时间，这长于一般铁磁金属的退磁化时间（0.2~0.3 ps），表明了Fe3O4/MgO的半金属性；在Fe3O4/ZrO2上观察到台阶状下降的退磁化过程，而Fe3O4/MgO的退磁化过程是E指数单调下降的，这说明不同的衬底会影响Fe3O4的退磁化过程，也就是其半金属性。在Heulser合金CoMnSi和CoFeAl上，发现退磁化时间分别为1.63 ps和1.33 ps，这远长于一般的铁磁性金属的退磁化时间，证明了CoMnSi和CoFeAl的半金属性质。我们还通过退磁化效应驱动磁性材料磁化强度的一致进动，使用超快磁光克尔效应来探测这个进动过程，从而获得材料的阻尼因子。在面内各向异性的CoFeB上，阻尼因子随着泵浦光功率的增加而增加，这种增加是瞬态可恢复的，我们将原因归结于泵浦光对样品的瞬态加热效应。在垂直各向异性的Ta/CoFeB/MgO结构中，我们发现，磁化强度进动也就是阻尼因子受Ta和MgO层生长次序的调制, 这源自于B和Ta原子扩散引入的CoFeB/Ta界面混合电导的增加。我们对于Fe3O4、CoFeAl和CoMnSi半金属性质的探测研究，对发展半金属材料在自旋电子学器件中的应用有着重要意义；对CoFeB系列材料超快进动过程的探测研究，有利于推动CoFeB材料在基于自旋转移扭矩（STT）磁存储器件中的应用。