横向受限对自旋阀纳米结构巨磁阻与自旋转移矩的影响

Spin valves with current perpendicular to plane of the layers are very important structures for spintronic devices. Recent experimental results show that, when the lateral (perpendicular to current direction) size of spin-valve nanostructures is comparable with electron mean free path, electron scatterings with the lateral surfaces have remarkable influences on the magnetoresistance and spin-transfer torque, which is especially true when electron spin-flip scatterings on lateral surfaces are noticeable. However, corresponding theoretical works have lagged behind. Motivated by this problem, this project is planning to describe the effects of lateral confinement on the magnetoresistance and spin-transfer torque on the kinematical level starting from the Boltzmann transport equation. There are both theoretical and experimental evidences showing that the Boltzmann equation is the simplest theoretical approach to dealing with the confinement effects in metallic structures. Unfortunately, the Boltzmann equation has no analytical solution to this problem and thus it has to be solved numerically with Poisoin’s equation in a self-consistent manner, which is a critical task of this project. Another key task of this project is to explain the recent experimental data by applying this newly-developed approach and prove its validity as well.

电流流向垂直于膜面的自旋阀是一种非常重要的自旋电子器件结构形式。最近的一系列实验结果表明，当自旋阀纳米结构的横向（垂直于电流方向）尺寸与电子平均自由程相当时，电子与侧面的散射对巨磁阻和自旋转移矩会产生重要影响，特别是，当电子在侧面上的自旋反转散射比较可观时。但是，相应的理论研究比较滞后。针对这一问题，本项目拟从Boltzmann输运方程出发建立一套运动学层面上的理论方法用以研究自旋阀纳米结构的尺寸对巨磁阻和自旋转移矩的影响。理论和实验都表明，Boltzmann输运方程是研究此类系统中尺寸效应的最简单的微观方法。尽管如此，对于待研究的问题，Boltzmann方程不存在解析解，因此，本项目的一个关键任务就是对Boltzmann方程和Poisson方程进行自洽数值求解。本项目的另外一个关键研究内容就是，运用拟建立的新方法为最近出现的一系列实验结果提供理论解释，并验证理论的正确性。

近年来，自旋电子学领域不断涌现出新的研究热点，其中，自旋热电子学、磁阻抗与低维材料自旋输运等引起了广大研究人员的兴趣。本项目组围绕电流垂直于膜面的自旋阀结构，着重研究了横向受限对自旋输运的影响、自旋积累电容及磁阻抗、热产生机制与如何用有效电阻合理描述热产生等问题。所得重要结果主要包括三个方面。第一，我们引入一个新概念：自旋积累电容。Rashba引入扩散电容解释磁阻抗，并在推导中使用了电荷准中性近似；表面上看，这一近似与通常伴随电容存在的电荷积累相矛盾。同时，Rashba没有指出扩散电容的能量储存形式，不能解释电容的来源。为此，我们引入自旋积累电容模型：自旋积累表现为一个自旋通道的电子过剩和另外一个的等量亏缺，可以看作电容器的两个极板。进而，我们推导出了自旋积累电容的表达式，证明它是电荷积累只出现在自旋自由度上的一种量子电容，能量存储于化学势的劈裂之中，可以解决Rashba理论中的问题。它对态密度较低的材料，如二维材料，尤为重要。第二，我们找到另外一种自旋相关的热产生机制：自旋扩散。我们首先找到两对没有交叉效应的广义流与力，它们各自的乘积对应两种不同的热产生；其中一种是自旋扩散产生的热，它独立于大家熟知的自旋弛豫机制。对自旋阀来说，在半无限层中，自旋弛豫和自旋扩散的热产生相等；在有限厚度的层中，自旋弛豫和自旋扩散分别在反平行和平行磁化时主导热产生。第三，我们引入新的有效电阻替代传统的自旋耦合界面电阻。我们的结果表明，自旋耦合介面电阻可能取负值，而且只有在一些特殊的区间内，它的“焦耳热”才等于对应的自旋相关热产生。自旋耦合介面电阻“焦耳热”的真正含义是铁磁层和介面处的额外能量供给，且只有部分转化为局域的热产生，其余流入其他层。因此，我们引入新的有效电阻替代自旋耦合介面电阻，以正确描述自旋相关的热产生。我们的结果有助于其他研究人员理解热产生过程，并指出调控各层热产生的可能途径。