自旋-轨道耦合驱动的自旋相关输运和新颖磁现象

It is a challenging issue with broad application perspective to understand correctly and manipulate the spin-dependent transport and novel magnetic properties induced by the spin-orbit coupling in magnetic and non-magnetic materials. Based on our expertise and solid research background, we propose to address the following important issues driven by the spin-orbit coupling: (1) With high quality epitaxial grown films and heterostructures, we try to establish the proper scaling of the spin hall effect; (2) Explore the peculiar superconductivity in Bi/Ni bilayer and try to clarify the mechanism behind; (3) Explore novel magnetic properties and spin structures induced by the spin-orbit coupling in single-crystalline ferromagnetic metal/non-magnetic metal heterostructure; (4) Investigate the spin-orbit torque and spin-Hall magentoresistance, and try to clarify their physical mechanisms; (5) Search new materials with larger spin-hall angle meanwhile find new ways to enhance the spin-Hall effect, to promote the development of potential new magnetic devices and the emerging spintronics.

正确理解并调控磁性材料和非磁性材料中的自旋-轨道耦合驱动的自旋相关输运和新奇磁性，不但是一个具有挑战性的重要物理问题，同时也具有广阔的应用前景。在已经具备对自旋轨道耦合物理的良好研究基础之上，我们在这里将利用分子束外延技术制备高质量的非磁性和磁性薄膜和异质结构，利用微纳加工手段制备微纳电子器件，并用多种先进测量手段对如下几个由自旋轨道耦合驱动的重要科学问题开展深入和系统的研究：（1）建立非磁金属中自旋霍尔效应的普适标度关系。（2）探索Bi/Ni双层膜中的奇异超导电性及其微观机制；（3）研究单晶铁磁金属/非磁金属异质结构中由于自旋-轨道耦合引起的新奇磁性和磁结构；（4）研究自旋-轨道力矩和自旋霍尔磁电阻效应并澄清其内在物理机制；（5）寻找具有更大自旋霍尔角的新材料，并探索增强自旋霍尔效应的方法和机制，推动有潜在应用价值的新型磁性功能器件和正在兴起的自旋电子学的发展。

正确理解并调控磁性材料和非磁性材料中的自旋-轨道耦合驱动的自旋相关输运和新奇磁性，不但是一个具有挑战性的重要物理问题，同时也具有广阔的应用前景。本项目主要利用分子束外延技术制备高质量的非磁性和磁性薄膜和异质结构,并利用微纳加工手段制备微纳电子器件，对由自旋轨道耦合驱动的重要科学问题开展深入和系统的研究。 经过5年的项目研究，在自旋-轨道耦合驱动的自旋相关输运等研究方面取得一系列的研究成果，发现了一些新型的物理现象。主要研究结果包括：1）在高质量的单晶Fe（001）薄膜中确立了反常霍尔效应的普适标度关系；2）发展了利用纳米尺度 H 型 Hall Bar 结构研究单一非磁金属层中自旋霍尔效应的新方法，并发现利用掺杂的方法可以实现同时具有大自旋霍尔角和自旋扩散长度的自旋电子学材料。3）在外延生长的Bi/Ni双层膜中，发现了奇异的超导电性，具有超导与铁磁共存、奇异的厚度依赖关系、奇特的点接触Andreev反射谱，并首次指出这一体系可能是一种p-wave配对的超导体，并发现其中存在自发时间反演对称性破缺。4）在单晶CoFe薄膜中发现巨大的各向异性磁电阻的晶体各向异性，和自旋弛豫因子的各向异性。5)利用磁性多层膜的方法提高了磁性异质结中超快THz发射的效率达到常规非线性晶体的强度，并发展了利用光子晶体调控THz发射的方法。 6）发现了反铁磁异质结中自旋交换耦合调控反铁磁自旋取向的方法，同时发现了反铁磁磁畴的光学探测新方法。 在本项目的资助下，发表学术论文58篇， 其中PRL 6篇， Nature子刊4篇， PRB/Applied 16篇，APL 5篇。 项目执行期间，共培养博士研究生16名，硕士研究生2名。 在国际重要学术会议上做邀请报告18人次。 同时，项目负责人金晓峰教授获得2017年IEEE Magnetic Society的Distinguished Lecturer称号，在国际学术机构做邀请报告40余次。 项目参与人吴义政教授，于2107年获得上海市“学术带头人” 称号，2018年获得上海市创新领军人才称号，以及2018年获得科技部“中青年科技创新领军人才”称号。