反铁磁金属/铁磁绝缘体双层膜中自旋相关输运性质的研究

Studies of the spin dependent transport properties of the antiferromagnetic-metal (AFM-metal)/ferromagnetic-insulator (FM-insulator) system not only help to reveal the mechanism of exchange bias but also the magnetic training effect. In this project, we will fabricate the AFM（=FeMn, IrMn, PtMn）/FM-insulator (YIG) exchange biased bilayers, and study the spin dependent transport properties as follows: (1) by measurements of the temperature and angular dependencies of the anisotropy magnetoresistance and the Hall resistance, we will distinguish the spin Hall magnetoresistance (SMR) and the magnetic proximity effect (MPE) induced by the uncompensated magnetic moments in AFM, and reveal the relation between SMR and MPE. (2) by measurements of the hysteresis loops, we will study the mechanism of the uncompensated magnetic moments of AFM in the exchange bias effect. (3) by measurements of the change of the Hall resistance and the longitudinal resistance with varying external magnetic field, we will study the mechanism of the uncompensated magnetic moments of AFM in the magnetic training effect. (4) by computational simulation, we will study the dynamics of the AFM spins. This program will also help to acquire the spin Hall effect of the AFM, further providing the first-hand information for the AFM spintronics and the development of the AFM spintronic devices.

研究反铁磁金属/铁磁绝缘体系统中自旋相关输运性质，有助于揭示反铁磁自旋在交换偏置和磁锻炼等效应中的作用机制。本项目将制备反铁磁（= FeMn，IrMn，PtMn）/铁磁性绝缘体（主要采用YIG）交换偏置双层膜系统，研究其自旋相关输运性质。具体展开以下几个方面：(1) 测量各向异性磁电阻以及霍尔电阻率随温度和角度变化关系，甄别自旋霍尔磁电阻效应（SMR）和未补偿磁矩引起的磁近邻效应(MPE)，揭示其内在联系。（2）结合磁滞回线测量，研究未补偿磁矩在交换偏置中的作用机制。（3）测量霍尔电阻率以及纵向电阻率随磁场多次扫描的变化过程，研究未补偿磁矩在磁锻炼效应中的作用。（4）研究反铁磁自旋在转动磁滞中的翻转机制。（5）结合数值计算，进一步研究反铁磁自旋在交换偏置中的行为。该项目的实施，还有望获得反铁磁材料本身的自旋霍尔效应等信息，为反铁磁自旋电子学材料探索和器件研制提供新的第一手信息。

中文摘要 (对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，800字以内).近年来，反铁磁自旋电子器件因其广阔的应用前景而得到了广泛的关注和深入的研究，然而因为反铁磁自旋呈反平行排列，宏观上反铁磁的磁化强度为零，因此对反铁磁自旋的测量是很困难的。我们通过研究反铁磁/铁磁双层膜的输运性质，来研究反铁磁自旋，具体为以下几个方面：1. 生长了高质量的IrMn/YIG双层膜，测量了各向异性磁电阻和平面霍尔效应，证明了反铁磁中未补偿自旋的存在。2. 研究了反铁磁/铁磁双层膜的反常霍尔效应的温度关系以及随厚度的关系，阐明了自旋霍尔磁电阻以及磁近邻效应之间的竞争对此的贡献，同时也研究了反铁磁未补偿自旋对交换偏置以及磁锻炼效应的贡献。3. 生长了高质量的以Co作为缓冲层的FeMn单层膜以及FeMn/Co双层膜，并测量了其反常霍尔效应及反常霍尔磁电阻，研究发现，缓冲层的厚度对FeMn反铁磁结构的形成至关重要，结果有利于人们理解与薄膜磁性密切相关的AHMR及其形成机制。4. 建立原子级自旋模型，计算研究了反铁磁中未补偿自旋对交换偏置及磁锻炼效应的贡献。