物理所在自旋塞貝克效應(yīng)與反常能斯特效應(yīng)研究中取得進展

　　熱自旋電子學(xué)亦稱自旋卡諾電子學(xué)，作為自旋電子學(xué)的一個重要分支，因在微電子器件廢熱再利用等方面的應(yīng)用前景而迅速興起。其中，自旋塞貝克效應(yīng)(SSE)、自旋依賴的塞貝克效應(yīng)(SDSE)、反常能斯特效應(yīng)(ANE)等與自旋相關(guān)熱電效應(yīng)，因其背后撲朔迷離的物理機制，而備受關(guān)注。Uchida等人【Nature 455 (2008) 778】首先在NiFe/Pt雙層膜體系中報道了橫向SSE。Kikkawa等人【Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 067207】和Qu等人【Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 067206】隨后則在Au/YIG體系中報道了縱向SSE。這些研究均通過溫度梯度將純自旋流從鐵磁體注入到重金屬順磁體中，再利用重金屬的逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE)而獲得電壓信號。那么通過SSE產(chǎn)生的純自旋流，如果被注入到鐵磁導(dǎo)體中，將會發(fā)生什么現(xiàn)象？鐵磁金屬是否也具有逆自旋霍爾效應(yīng)？如果有，其是否與磁性金屬的磁化方向相關(guān)？其自旋霍爾角能有多大？這些問題均需要實驗來回答。而且相對于鐵磁絕緣體/順磁重金屬體系，鐵磁絕緣體/鐵磁導(dǎo)體體系具有更復(fù)雜的磁化行為，更復(fù)雜多樣的熱電信號，如何從這些信號中甄別出單純的自旋塞貝克效應(yīng)則成為該實驗的難點與焦點。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)磁學(xué)國家重點實驗室研究員韓秀峰領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，巧妙地采取交換偏置技術(shù)成功地將上述多種相互糾纏的信號分解到不同的磁場范圍內(nèi)，使得鐵磁體SSE信號的甄別變得非常簡單而直觀。如圖1(a)所示，該研究團隊制備了YIG/Cu/NiFe/ IrMn/Ta的交換偏置結(jié)構(gòu)。其中YIG(釔鐵石榴石)是自旋流輸出源。NiFe是自旋流的吸收端，可用于探測其逆自旋霍爾效應(yīng)。IrMn用于交換偏置NiFe的磁化曲線，使其中心偏離0磁場。通過在A條或C條施加加熱電流[圖1(c)]，沿y方向施加磁場，則可以在B條沿x方向探測到電壓信號[圖1(d)]。此前，先測量了體系的平面霍爾效應(yīng)以及各向異性磁電阻。這些信號只能唯一來源于NiFe，且分布于50 Oe～250 Oe的磁場區(qū)間[圖1(e)和(f)]。相反，在0磁場附近還觀察到一個電壓信號[圖1(d)]。這個信號與YIG的磁矩翻轉(zhuǎn)有關(guān)，它只能來源于NiFe和YIG之間的SEE信號。甚至當(dāng)同時在A條和C條之間施加加熱電流，因面內(nèi)溫度梯度在B處抵消，NiFe的平面能斯特信號幾乎消失，而與YIG相關(guān)的SSE信號則得到了增強[圖1(g)]。因此基于這一交換偏置結(jié)構(gòu)，成功地在YIG/磁性金屬基體系測量到了純凈的自旋塞貝克效應(yīng)，為后續(xù)開展鐵磁性導(dǎo)體的自旋霍爾效應(yīng)研究提供了一個非常理想的磁納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)果已于近期發(fā)表在《物理評論》雜志上【Hao Wu, C. H. Wan, X. F. Han et al., Observation of pure inverse spin Hall effect in ferromagnetic metals via ferromagnetic/ antiferromagnetic exchange-bias structures, Phys. Rev. B 92 (2015) 054404】。

　　針對熱自旋電子學(xué)的研究熱潮也復(fù)燃了人們對另一種古老自旋熱電效應(yīng)——反常能斯特效應(yīng)的研究興趣，不僅因為該效應(yīng)也具備發(fā)電的能力，還因為這種效應(yīng)往往會與其他自旋熱效應(yīng)發(fā)生糾纏與混淆，且其物理機制尚未被完全揭示。近些年國際上有很多有關(guān)反常能斯特效應(yīng)的研究，都力圖探明其背后的物理圖像。Ramos等人【Phys. Rev. B 90 (2014) 054422】和Pu等人【Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 117208】分別研究了厚Fe3O4薄膜和Ga1-xMnxAs薄膜的反常能斯特系數(shù)、塞貝克系數(shù)與反?；魻柦侨咧g的溫度依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)能斯特系數(shù)和塞貝克系數(shù)均滿足莫特關(guān)系。Hesegawa等人【App. Phys. Lett. 106 (2015) 252405】通過對FePt、Co/Ni等垂直薄膜體系的研究發(fā)現(xiàn)：能斯特系數(shù)與磁各向異性能具有很高的正相關(guān)依賴特性。這些工作均暗示著反常能斯特系數(shù)和塞貝克系數(shù)、自旋軌道耦合效應(yīng)之間蘊含著某種依賴關(guān)系。但這三者間的關(guān)系從未在同一材料體系中，特別是在自旋軌道耦合強度能被單調(diào)調(diào)控的體系中，被系統(tǒng)研究過。如果能找到這樣一個體系，那該體系將會使得研究上述三種效應(yīng)之間的內(nèi)在深層次聯(lián)系成為可能。

　　韓秀峰團隊通過磁控濺射技術(shù)、紫外曝光與刻蝕等微納加工方法、熱輸運有限元模擬以及熱電輸運性質(zhì)測量等，系統(tǒng)地設(shè)計和研究了[Pt/Co]n多層膜體系的反常能斯特系數(shù)、塞貝克系數(shù)和反常霍爾角(反映自旋軌道耦合強度的指標(biāo))以及三者之間的依賴關(guān)系。其中，在該體系中自旋軌道耦合強度可由界面數(shù)量單調(diào)地調(diào)制。換而言之，保持納米多層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及Pt、Co的總厚度不變，降低每個周期單元(Pt/Co雙層膜)的厚度來使周期數(shù)n增加，從而實現(xiàn)對自旋軌道耦合強度的增強調(diào)制。實驗結(jié)果表明，反常能斯特系數(shù)隨著多層膜體系界面數(shù)量的增加而單調(diào)增強(如圖2所示)。特別是反常能斯特系數(shù)與反?；魻柦侵g還存在高度的相關(guān)性、甚至是線性的依賴關(guān)系。這明確顯示了兩者共同的物理起源——自旋軌道耦合效應(yīng)。

　　為了進一步分析反常能斯特系數(shù)與反?；魻柦堑囊蕾囮P(guān)系，該研究團隊在前人【Bauer et al, Nat. Mater. 11 (2012) 391】線性響應(yīng)理論的基礎(chǔ)之上，進一步推導(dǎo)出反常能斯特系數(shù)的具體形式。該理論模型表明：在磁性導(dǎo)體中并在開路條件下，沿溫度梯度方向不僅存在通常測量的塞貝克電壓，還存在純的自旋流。該自旋流的大小正比于|P-PT|，其中P和PT分別是電導(dǎo)率σ與熱電電導(dǎo)率σS (S是塞貝克系數(shù))的自旋極化度。該自旋流進一步被鐵磁導(dǎo)體中的逆自旋霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)換成橫向的電流信號，并最終以反常能斯特電壓的形式被探測到。反常能斯特系數(shù)因此與塞貝克系數(shù)、反常霍爾角之間滿足公式(1)。該公式首次定量描述了這三個基本物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。這三個參數(shù)之間的系數(shù)與材料本征的一些特性，如P、PT以及Pθ (自旋霍爾角在鐵磁體中的自旋極化度)有關(guān)。上述規(guī)律在其他薄膜體系也得到了實驗驗證，如在Co/Pt、CoFeB/Pt等薄膜體系中的實驗結(jié)果也遵循上述規(guī)律，這充分反映了這一規(guī)律在鐵磁導(dǎo)體中的普適性。

　　η=(P-PT)/(P+Pθ)θHS/μ0M0              (1) 

　　該工作不僅顯示了一種增強材料反常能斯特效應(yīng)的方法：即利用磁性金屬與非磁性重金屬一起構(gòu)成納米多層膜——超晶格，并且還在單一材料體系中首次表明了反常能斯特系數(shù)與反?；魻柦侵g存在著線性的相互依賴關(guān)系。這一關(guān)系表明了反常能斯特效應(yīng)是自旋相關(guān)塞貝克效應(yīng)與逆自旋霍爾效應(yīng)在鐵磁導(dǎo)體中的疊加。該工作還給出了進一步尋找巨大能斯特系數(shù)的思路——在具備大的塞貝克系數(shù)以及自旋軌道耦合強度的鐵磁體中可能獲得巨大的反常能斯特效應(yīng)。相關(guān)研究結(jié)果已于近期發(fā)表在《物理評論》雜志上【Chi Fang, C. H. Wan, X.F. Han et al., Scaling relation between anomalous Nernst and Hall effect in [Pt/Co]n multilayers, Phys. Rev. B 93 (2016) 054420】。

　　上述工作分別表明了自旋塞貝克效應(yīng)與自旋相關(guān)塞貝克效應(yīng)的存在，還共同證明了在鐵磁金屬中存在著較大的逆自旋霍爾效應(yīng)，并且還表明反常能斯特效應(yīng)是自旋相關(guān)塞貝克效應(yīng)與逆自旋霍爾效應(yīng)在鐵磁導(dǎo)體中疊加的這一物理本質(zhì)。

　　上述研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院先導(dǎo)B項目等基金的資助。

    圖1.(a)樣品截面高分辨透射電子顯微圖像；(b)自旋塞貝克效應(yīng)的物理圖像；(c)塞貝克效應(yīng)測量布置；(d)熱電信號測試結(jié)果；(e)樣品的平面霍爾效應(yīng)；(f)各向異性測電阻和(f)當(dāng)分別在A條或C條或同時在A條和C條施加加熱電流時，熱電信號與磁場的關(guān)系。

    圖2.(a) 反常能斯特電壓VN與z軸磁場的依賴關(guān)系；(b) VN與角度的依賴關(guān)系；(c) VN與加熱功率ω的依賴關(guān)系；(d) 反常能斯特系數(shù)(vN≡dVN/dω)與Pt/Co界面數(shù)量的依賴關(guān)系(左panel)和(vN/θH)與界面數(shù)量的關(guān)系(右panel)。插圖中顯示了vN與反?；魻柦铅菻之間的標(biāo)度關(guān)系。當(dāng)n<6時，兩者呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。