日本東北大學(xué)查明單晶鉑薄膜的自旋傳導(dǎo)機(jī)理

多晶與單晶鉑的自旋弛豫時(shí)間

自旋弛豫模型

日本東北大學(xué)2016年6月30日宣布，制作了自旋軌道相互作用很強(qiáng)的金屬鉑(Pt)的單晶薄膜，通過詳細(xì)分析量子干涉效應(yīng)的薄膜厚度依賴性，查明了薄膜的自旋傳導(dǎo)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)單晶鉑薄膜的自旋弛豫時(shí)間與電子散射時(shí)間成反比，電子自旋是邊進(jìn)動(dòng)邊傳導(dǎo)。

鉑因?yàn)樽孕壍老嗷プ饔脧?qiáng)，極有希望作為創(chuàng)造自旋軌道轉(zhuǎn)矩和自旋塞貝克效應(yīng)的電動(dòng)勢的材料。而且在最近，使用自旋流使磁體的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)的自旋軌道轉(zhuǎn)矩作為一項(xiàng)新的磁化反轉(zhuǎn)技術(shù)備受關(guān)注。另一方面，作為代表自旋霍爾效應(yīng)強(qiáng)度的指標(biāo)，在使用不同的測量方法和試料制作方法時(shí)，鉑的自旋霍爾角(自旋流/電荷流：電流與自旋流的轉(zhuǎn)換效率)會(huì)相差接近1位數(shù)，因此需要探明鉑中的自旋傳導(dǎo)現(xiàn)象。

這一次，研究人員在氧化鎂(MgO(111))基板上制作鉑的單晶超薄膜，與在砷化鎵(GaAs(001))基板上制作的多晶鉑薄膜比較了量子干涉效應(yīng)(磁導(dǎo)性能)的膜厚依賴性。結(jié)果顯示，對(duì)于鉑多晶薄膜，已知的Elliot-Yafet自旋弛豫機(jī)理發(fā)揮著支配作用。這表明電子自旋因雜質(zhì)等散射勢壘發(fā)生散射時(shí)，自旋方向?qū)⒎崔D(zhuǎn)，自旋弛豫時(shí)間與電子散射時(shí)間成正比。

而對(duì)于鉑單晶薄膜，Dyakonov-Pelel自旋弛豫機(jī)理發(fā)揮著重要作用。也就是說，對(duì)于化合物半導(dǎo)體和表面等空間反演對(duì)稱性被打破的系統(tǒng)，電子自旋會(huì)通過自旋軌道相互作用感應(yīng)到有效磁場，在邊進(jìn)動(dòng)邊傳導(dǎo)的過程中產(chǎn)生的自旋弛豫機(jī)理的作用下，自旋弛豫時(shí)間與電子散射時(shí)間成反比。

這一結(jié)果表明，化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中著名的Rashba自旋軌道相互作用對(duì)自旋弛豫有貢獻(xiàn)，通過電場可以控制自旋進(jìn)動(dòng)。有望為自旋電子學(xué)提供新的知識(shí)和設(shè)計(jì)方針，例如使用自旋轉(zhuǎn)矩的磁體磁化反轉(zhuǎn)技術(shù)、自旋塞貝克效應(yīng)等。

該研究項(xiàng)目得到了日本學(xué)術(shù)振興會(huì)科學(xué)研究費(fèi)資助事業(yè)的資助。研究成果已于2016年6月22日在美國科學(xué)雜志《Physical Review Letters》的網(wǎng)絡(luò)版上刊登。