界面及合金中自旋霍尔效应的理论与计算研究

Spin Hall effect convert charge currents into spin currents, which is widely used in new spintronic devices. However, some new physical phenomena have been found in the academic circles at present, which can not be explained by existing theories. This indicate that there need more theoretical research on the generation mechanism of spin Hall effect, such as that we do not have a clear model for interface scattering and the extrinsic contribution is hard to separated. Based on these problem, we will use a first principle method to study spin Hall effect in PtPd, PtAu and CuBi alloy. With comparison on different doping concentration, we can separate the skew scattering and side jump contributions in spin Hall effect, and make sure wich one is more important in alloys. Moreover, we will also study spin Hall effect in Pt|Pd, Pt|Au and Cu|Bi interface, with the results from alloys, we will know the similarities and differences between the contribution from interface scattering and impurity scatering. These results will deepen the understanding of spin Hall effect and be very useful for design new spin Hall devices with higher charge-spin transfer efficiency.

自旋霍尔效应是一种将电流转换为自旋流的物理现象，在自旋电子器件中有着广阔的应用前景。然而，目前学界已发现了一些新奇的物理现象，难以使用现有的理论解释，这暗示着自旋霍尔效产生机制的理论研究还有一定的缺陷，如界面散射的影响缺乏有效的理论模型描述，合金中自旋霍尔效应外部贡献的主从、耦合关系难以厘清等。本项目拟从这些问题出发，使用第一性原理计算的方法，研究PtPd、PtAu、CuBi三种合金中的自旋霍尔效应，通过分析对比不同掺杂浓度的影响，弄清两种杂质散射（skew scattering、side jump）对自旋霍尔效应影响的主从、耦合关系，并在此基础之上，研究Pt|Pd、Pt|Au、Cu|Bi三种界面的自旋霍尔效应，对比相应合金中的自旋霍尔效应，分析得出界面散射与杂质散射作用的异同。项目成果将加深学界对自旋霍尔效应的理解，并对设计出电流-自旋流转换效率更大的自旋相关器件提供理论支持。

随着自旋电子学的进一步发展以及包括磁性随机存储器在内的自旋电子器件逐渐走向应用，自旋输运以及自旋态操控就成了当前科研中的重要研究内容。本项目就是在此背景下，针对性的开展了以下几个方面的研究：1. 在前人TB-LMTO输运程序的基础上，发展了基于更为精确的EMTO的输运计算方法，并应用狄拉克方程引入了全相对论效应，以此来探究具有强自旋轨道耦合的重元素体系。我们应用该方法系统研究了Fe及其合金以及共线反铁磁FeMn等材料中的反常霍尔电流。2. 系统研究了Au、Ag、Pt、Pd等元素构成的合金及界面中的自旋霍尔效应，尤其是针对其外部贡献（Extrinsic）进行了探讨。3. 研究了电荷诱导的金属铁磁相变及其对应的反常霍尔效应，此外也对可见光、应力对磁基态的调控作用展开了细致研究。4. 应用以上研究成果，设计出了数款基于电场调控人工反铁磁自由层的磁性随机存储器。.本项目研究取得了如下研究成果：1. 分离出了合金材料中自旋霍尔效应与反常霍尔效应的skew scattering贡献，数值结果表明，这一部分贡献起主导作用。2. 发现Au|Ag界面处巨大的自旋霍尔效应，并通过分析散射谱，我们认为能带不匹配带来的强烈散射是界面自旋霍尔效应增大的关键。3. 电荷、可见光、应力均可以对铁磁薄膜的磁基态进行调控，并可以辅助磁性自由层进行高速、低功耗翻转。4. 应用微磁学模拟的手段，我们研究了基于电场调控人工反铁磁自由层的临界翻转电流，发现利用电场调控RKKY效应可以使得该器件的擦写电流在亚纳秒区间降低一个数量级。