磁性材料中“分裂”电子自旋的机制

虚拟电子-正电子对在电子附近随机出现的示意图（左下角）。图片来源：RJHall/Wikipedia

康奈尔大学的研究人员以正确的角度保持正确的材料，发现了一种在铁磁体薄层中切换磁化的策略 - 这种技术最终可能导致开发更节能的磁性存储器件。

该团队的论文“由共线反铁磁体二氧化钌产生的倾斜自旋电流”于5月5日发表在Nature Electronics上。该论文的共同主要作者是博士后研究员Arnab Bose和博士生Nathaniel Schreiber和Rakshit Jain。

几十年来，物理学家一直试图通过用磁场操纵它们来改变磁性材料中电子自旋的方向。但是，包括艺术与科学学院F.R.纽曼物理学教授、该论文的资深作者丹·拉尔夫（Dan Ralph）在内的研究人员转而使用电子携带的自旋电流，当电子的自旋通常朝向一个方向时，就会存在自旋电流。

当这些自旋电流与薄磁层相互作用时，它们会传递其角动量并产生足够的扭矩来将磁化切换180度。（切换此磁性方向的过程是人们在磁性存储设备中写入信息的方式。

Ralph的小组专注于寻找通过用反铁磁性材料产生自旋电流来控制自旋电流方向的方法。在反铁磁体中，所有其他电子自旋指向相反的方向，因此没有净磁化。

“从本质上讲，反铁磁顺序可以降低样品的对称性，足以允许自旋电流的非常规方向存在，”Ralph说。“反铁磁体的机制似乎也提供了一种实际上获得相当强的自旋电流的方法。

该团队一直在试验反铁磁体二氧化钌，并测量其自旋电流如何倾斜称为Permalloy的镍铁磁性合金薄层中的磁化，这是一种软铁磁体。为了绘制出扭矩的不同组成部分，他们在各种磁场角度下测量了其影响。

“起初我们不知道我们看到了什么。这与我们之前看到的完全不同，我们花了很多时间才弄清楚它是什么，“Jain说。“此外，这些材料很难集成到存储设备中，我们希望找到其他能够表现出类似行为的材料，这些材料可以很容易地集成。

研究人员最终发现了一种称为“动量依赖性自旋分裂”的机制，这是同一类氧化钌和其他反铁磁体所独有的。

“很长一段时间以来，人们认为在反铁磁体中，自旋上升和自旋下降的电子总是表现得相同。这类材料真的是新的东西，“拉尔夫说。“旋转上升和下降电子状态本质上具有不同的依赖性。一旦你开始施加电场，这立即给你一种产生强自旋电流的方法，因为自旋上升和自旋下降电子的反应不同。因此，您可以比其中一个加速更多，并以这种方式获得强大的自旋电流。

这种机制是假设的，但以前从未被记录过。当反铁磁体中的晶体结构在器件内适当定向时，该机制允许自旋电流以一定角度倾斜，从而实现比其他自旋轨道相互作用更有效的磁开关。

现在，Ralph的团队希望找到制造反铁磁体的方法，在这些反铁磁体中，他们可以控制域结构 - 即电子的磁矩在同一方向上对齐的区域 - 并单独研究每个域，这是具有挑战性的，因为域通常是混合的。

最终，研究人员的方法可能会导致包含磁性随机存取存储器的技术的进步。

“希望能够制造出非常高效，非常密集和非易失性的磁性存储器件，这将改善现有的硅存储器件，”Ralph说。“这将允许计算机中内存完成方式的真正改变，因为你将拥有基本上无限的耐力，非常密集，非常快的东西，即使电源关闭，信息也会保留下来。现在没有记忆可以做到这一点。