磁性异质结中自旋轨道矩的物理机制研究

Spin orbit torque (SOT) in magnetic heterostructures provides a new route to switch the magnetization electrically, which is one of the most significant development in spintronics after giant magnetoresistance and spin transfer torque. However, the possible physical origin of SOT, either bulk spin Hall effect or interfacial Rashba effect, is still under intense debate. This project will study the SOT in magnetic heterostructures by measuring ac harmonic voltage with high sensitivity and spin-torque ferromagnetic resonance. While this project aims to reveal the physical origin of SOT in nonmagnetic metal/ferromagnet heterostructures, it will be realized as follows: (1) Thickness dependence studies: Identify the dominant physical origin of SOT from thickness dependence study. (2) Interface doping: Realization and exploration of interfacial Rashba effect dominated SOT. (3) Physical characterization: Quantifying bulk spin Hall effect contribution and interfacial Rashba effect contribution from further studies by varying various physical parameters, such as temperature and magnetization direction. By illustrating a comprehensive physical picture of SOT, this project will contribute in exploring novel features of magnetic heterostructures and allow a full control of SOT for new generation spintronic devices.

磁性异质结中自旋轨道矩为电流驱动磁矩翻转提供了一种全新的手段，被视为继巨磁电阻和自旋转移矩效应之后自旋电子学最重大的发现之一。当前对于自旋轨道矩两个可能的物理机制：体自旋霍尔效应和界面Rashba效应尚存在极大争议。本项目拟通过测量高灵敏度交流谐振电压及自旋矩铁磁共振等手段，围绕非磁层/磁性层异质结中的自旋轨道矩，从以下几个方面开展研究：（1）膜厚研究：从不同的厚度依赖关系上，分析其中可能占主导的物理机制。（2）界面掺杂：通过界面掺杂探索及实现界面Rashba效应占主导的自旋轨道矩。（3）物理表征：进一步研究自旋轨道矩在不同物理维度下（温度和磁矩方向等）的物理特性，量化体自旋霍尔效应和界面Rashba效应的贡献。本项目有望全面揭示磁性异质结自旋轨道矩的物理机制，这将有助于探索与自旋轨道矩相关的新现象和新机制、推进其在新一代自旋电子学器件中的应用。

对于自旋轨道矩（SOT）的产生物理机制存在极大争议，区分和辨别其不同物理机制是当前自旋轨道矩研究的热点和难点。本项目通过膜厚调节、界面掺杂以及多个物理维度下的测量表征等实验手段，对磁性异质结中自旋轨道矩的物理机制进行研究。（1）针对磁性金属异质结中自旋轨道矩（SOT）和自旋霍尔角(SHA)的不同物理机制，也就是界面Rashba效应和来自Pt的体自旋霍尔效应的分别量化研究，发现二者大小相近但方向相反，从而首次对界面效应和体效应产生的SOT准确量化。（2）在兼具强磁性和强自旋轨道耦合作用的L10相FePt单层膜中探索自旋力矩，实现SOT新材料、新机制。（3）通过改变Ta晶体结构、PdPt合金成分、界面Al插层，对异质结SOT展开系列研究。.此外，我们还发展建立一套全面普适的自旋轨道矩表征方法，研究了自旋轨道矩类场力矩分量导致的磁矩不对称翻转特性，并且对亚铁磁、反铁磁体系的自旋输运和SOT开展研究。