近日，Nature Communications在線發表了北航beat365英国官网网站王钰言助理教授與慕尼黑工業大學、清華大學合作的有關反鐵磁自旋泵浦效應的研究成果“Spin pumping during the antiferromagnetic–ferromagnetic phase transition of iron–rhodium”[Nat. Commun. (2020) 11: 275]，北航beat365英国官网网站為第一通訊作者單位。該研究工作得到德國洪堡學者基金、國家自然科學基金、德國科學基金等項目的資助。

自旋電子學研究通過對材料中自旋自由度的有效操控，如自旋極化、自旋輸運和自旋檢測等，給微電子器件的應用乃至信息工業帶來了革命性的進步。随着信息存儲領域的高速發展，傳統的以鐵磁材料為核心的自旋電子學器件體現出了明顯的局限性。作為自然界中廣泛分布、卻被長期忽視的另一類磁學材料—反鐵磁材料，因為其抗外磁場幹擾、沒有鐵磁雜散場、以及相對鐵磁更高的内禀頻率（THz）等優勢，成為了推動低功耗、高密度、高讀寫速度的自旋邏輯器件發展的明星材料。如何在反鐵磁材料中實現自旋流的高效激發、調控和探測是反鐵磁自旋電子學領域亟待解決的關鍵科學問題。

由于自旋流在傳輸過程中不産生淨電荷流和雜散磁場，能夠以非常小的功耗輸運信息，是新一代信息傳輸的優良載體。自旋泵浦效應作為産生純自旋流的重要方法，利用鐵磁共振等手段能夠将純自旋流從鐵磁層中泵浦到緊鄰的非磁層，并發生馳豫，同時伴随着鐵磁層的阻尼因子的增加。進一步利用緊鄰非磁金屬層的逆自旋霍爾效應，可以将純自旋流轉化為可探測的電荷信号，從而實現自旋泵浦的電測量。因此，自旋泵浦效應和逆自旋霍爾效應的“雙劍合璧”成為研究各種材料中“自旋-電荷轉換問題”的經典手段。目前，自旋泵浦效應主要集中在異質薄膜之間，即垂直于薄膜表面的層間，卻忽略了多相材料内部的橫向的自旋泵浦效應；且在自旋流的探測中通常使用非磁貴金屬如Pt、Ta、W等，對于同樣具有強自旋軌道耦合作用的反鐵磁金屬仍亟需挖掘。探究反鐵磁材料内部自旋流和電荷流之間的相互轉換，對于探索基于純自旋流的新型低功耗器件并提高其效率、以及與當前基于電荷流的半導體技術的集成均是至關重要的。  

圖（a）FeRh/Pt體系的縱向和側向自旋泵浦效應示意圖；（b）共面波導和自旋泵浦效應的測試示意圖；（c）FeRh/Py體系的逆自旋霍爾電壓，自旋流從Py注入到反鐵磁FeRh；（d）FeRh反鐵磁-鐵磁相變過程中的阻尼因子解析。

作為熱輔助磁存儲及反鐵磁自旋電子學中重要的候選材料，FeRh由于其在室溫附近具有獨特的鐵磁-反鐵磁的一級相變而脫穎而出，對于認識單一材料中不同磁性相之間的自旋輸運及動力學機制具有科學價值。本工作重點研究了超薄FeRh（≤10nm）基自旋器件中的垂直自旋泵浦效應和側向自旋泵浦效應，結合鐵磁共振技術，從實驗上揭示了多功能性的FeRh兼具優異的自旋流激發（鐵磁相）和探測（反鐵磁相）性能。基于FeRh相變過程中阻尼因子（damping）的解析，首次報道了在FeRh薄膜内部從鐵磁疇到反鐵磁疇的側向自旋泵浦效應，實現了FeRh鐵磁/反鐵磁相界面處高效的自旋輸運和自旋角動量轉移。該研究工作對于認識反鐵磁金屬材料中的自旋動力學特性，如自旋流的産生、傳輸和探測過程具有科學意義，同時FeRh大範圍可調的阻尼因子也表明了其在高速低功耗的反鐵磁自旋器件中具有潛在的應用價值。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-14061-w

王钰言，北航beat365英国官网网站，助理教授，洪堡學者，主要研究方向：磁性薄膜，自旋電子學材料與器件，二維材料的磁光電性能調控等。