铁磁邻近极化效应下的GaAs电子自旋相干运动研究

在铁磁金属半导体异质结中，光致跃迁的半导体电子受到铁磁邻近效应作用可以产生相干自旋极化，该过程与电子从半导体输运至铁磁金属时受到界面反射形成的自旋极化可以直接进行比较，而后者是半导体自旋电子器件中产生自旋极化的重要手段。本项目采用时间分辨磁光谱研究GaAs受到光致激发后在邻近3d过渡族铁磁金属作用下形成的自旋极化相干运动，细致分析不同肖特基势垒宽度和金属氧化物(MgO,AlO)隧穿界面结构及不同偏置电压条件对于铁磁邻近效应的影响。同时开展非线性磁光光谱测量，分析界面处与GaAs体内电子自旋相干进动在频率、相位、相干衰减时间上的异同，并结合和频产生光谱研究界面电子结构。通过这些研究，获取铁磁邻近极化效应与通过净电子输运形成的自旋极化效应的异同，并深刻理解界面在电子自旋极化形成过程中的作用规律，特别是隧穿势垒对于自旋极化的增强机理。

开展了具有界面邻近自旋交换耦合异质结与多层体系的光致自旋动力学研究。1）在Fe/GaAs异质结体系中，通过界面附近GaAs层高掺杂，在界面附近形成强内建场的肖特基势垒，光致载流子在强内建电场的作用下产生快速的移动，从而形成等效脉冲磁场驱动铁磁薄膜的磁矩进动，这种光致磁矩进动激发所需能量密度相比光热激发所需能量密度低2-3个数量级，为低能量光脉冲调控自旋磁矩提供了一种可能[Applied Physics Express 6, 073008 (2013)]。 2）在单晶Fe/MgO异质结界面，利用磁性二次谐波技术发现了交换偏置效应，该效应起源于界面反铁磁FeO结构的钉扎效应，其偏置强度可以通过控制界面氧原子浓度的高低进行调节，这项研究成果为调控界面自旋性质提供了新的思路，也为优化界面磁性性质，减少自旋输运过程中的自旋反转散射提供了重要的线索[Nature Nanotechnology 8, 438 (2013)]。3）利用时间分辨磁光技术系统精确测定了具有垂直磁性各向异性的有序层状结构FePd1-xPtx铁磁薄膜中磁矩进动内禀Gilbert阻尼衰减系数，确立了Gilbert阻尼衰减系数与自旋轨道耦合强度成二次方的关系[Physical Review Letters 110, 077203 (2013)]。4）研究了铁磁反铁磁Fe/CoO结构中的铁磁磁矩进动衰减，发现在反铁磁转变温度下Fe磁矩进动阻尼突然变大，且随着温度降低基本保持不变，而且其大小与磁场无关，从而排除了薄膜不均匀以及界面缺陷形成的色散与磁子散射效应，我们因此认为进动阻尼的增加与动态交换作用下的反铁磁自旋进动或者反铁磁磁畴运动的激发有关，此项研究成果已经投稿。5）研究了具有铁磁邻近效应的CoFeAl/GaMnAs异质结结构的磁性动力学以及光致磁矩进动激发，我们发现光致磁矩进动激发随温度剧烈变化，说明CoFeAl与GaMnAs之间存在强烈的耦合，该耦合随着GaMnAs磁性的变化而变化。我们发现由于邻近效应使得在GaMnAs母体铁磁转变温度以上直至室温，低能量密度飞秒脉冲光致磁矩进动激发成为可能。此项工作正在整理撰写论文。