新研究突破磁學(xué)與自旋電子學(xué)領(lǐng)域的傳統(tǒng)認(rèn)知
近日，電子科技大學(xué)物理學(xué)院、電子薄膜與集成器件全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授嚴(yán)鵬課題組在磁學(xué)與自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。通過(guò)研究亞鐵磁疇壁中的磁子自旋輸運(yùn)，他們發(fā)現(xiàn)了磁子穿過(guò)原子級(jí)窄疇壁后能夠保留其原有自旋，這一結(jié)果突破了傳統(tǒng)認(rèn)知。該理論研究結(jié)果發(fā)表在1月15日的《物理評(píng)論快報(bào)》。
20世紀(jì)30年代，朗道等人提出了鐵磁性的量子理論，描述了鐵磁體中磁矩的集體激發(fā)行為，由于這些激發(fā)具有波動(dòng)屬性，被稱為自旋波。20世紀(jì)30年代末，布洛赫等人對(duì)自旋波的量子化進(jìn)行了深入研究。他們指出，自旋波可以被量子化，形成一種準(zhǔn)粒子，即磁子。由于磁子具有相干長(zhǎng)度長(zhǎng)、不產(chǎn)生焦耳熱等優(yōu)點(diǎn)，近些年受到人們的廣泛關(guān)注。特別是對(duì)磁子手性傳輸?shù)难芯?，在探索新的物理現(xiàn)象和規(guī)律以及開(kāi)發(fā)新型磁子器件方面具有重要意義。
磁織構(gòu)中的磁子輸運(yùn)是一個(gè)重要的物理問(wèn)題。一個(gè)被廣泛被接受的結(jié)論是，當(dāng)磁子經(jīng)過(guò)180°磁疇壁時(shí)，磁子所攜帶的自旋角動(dòng)量會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變化的磁子角動(dòng)量將轉(zhuǎn)移給磁疇壁，進(jìn)而推動(dòng)疇壁運(yùn)動(dòng)，稱為磁子自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)。最近，清華大學(xué)的南天翔課題組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在具有多疇?wèi)B(tài)的亞鐵磁體系中，磁子依舊存在自旋擴(kuò)散，且流經(jīng)多疇?wèi)B(tài)和單疇?wèi)B(tài)所測(cè)得信號(hào)強(qiáng)度幾乎一樣。
然而，由于多疇?wèi)B(tài)存在多個(gè)可以相互抵消的磁疇，磁子所攜帶的角動(dòng)量應(yīng)當(dāng)迅速衰減至零。這就帶來(lái)了一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：磁子流經(jīng)亞鐵磁疇壁時(shí)會(huì)維持還是翻轉(zhuǎn)它的自旋角動(dòng)量？為了回答這個(gè)問(wèn)題，課題組研究了原子尺度下亞鐵磁疇壁中的磁子自旋輸運(yùn)。
課題組的這項(xiàng)理論結(jié)果揭示了磁子在亞鐵磁疇壁中的自旋傳輸機(jī)制，特別是發(fā)現(xiàn)了磁子穿過(guò)原子尺度窄疇壁后能夠保留其原有自旋，這一結(jié)果突破了傳統(tǒng)認(rèn)知。這種獨(dú)特的自旋傳輸機(jī)制為理解磁子與磁結(jié)構(gòu)的相互作用提供了新的理論基礎(chǔ)。從應(yīng)用層面看，通過(guò)精確調(diào)控亞鐵磁疇壁的寬度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁子自旋的高效操控，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出基于磁子自旋的邏輯器件，為信息技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新帶來(lái)新的思路。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.026701
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