Utvetydig eksperimentel demonstration af magnon-overførselsmomenteffekt

Spin-moment giver praktiske elektriske midler til effektivt at kontrollere magnetiseringer. Det kan normalt produceres af spin-polariseret strøm eller ren spin-strøm via spin Hall-effekt. Førstnævnte og sidstnævnte er navngivet som spin transfer torque (STT) og spin orbit torque (SOT), henholdsvis. Ved at bruge disse værktøjer, mennesker har udviklet anden generation af STT-MRAM (Magnetic Random-Access Memory) med in-plane magnetisk anisotropi, tredje generation STT-MRAM med vinkelret magnetisk anisotropi og fjerde generation SOT-MRAM blandt andre spintroniske enheder og chips. I øvrigt, vinkelrette STT-MRAM-chips er blevet demonstreret og tæt på store applikationer.

Kollektive excitationer i spin-ordnede systemer eller spin-bølger eller magnoner har vist sig at transmittere spin-vinkelmomentum over en lang afstand kun ved den tilstødende kobling mellem lokale spins uden strømmende ladede elektroner, kaste lys over en Joule-opvarmningsfri version af mikroelektronik. Magnoner forventes således at fungere som en idébærer til at sende, opbevaring, og behandling af spin information.

Inden da, det bliver et åbent og grænseoverskridende spørgsmål for magnonics og spintronics, om magnoner kan overføre spindrejningsmoment eller ej udover den rene spinstrøm. Svaret på dette spørgsmål bestemmer muligheden for at udvikle rene magnoniske manerer til at kontrollere magnetiseringer. Selvom magneton transfer torque (MTT) effekt er blevet teoretisk undersøgt, dens nøjagtige bekræftelse i eksperimenter er stadig udfordrende.

Dr. Guo Chenyang, Associeret prof. WAN Caihua og prof. HAN Xiufeng etc. i M02-gruppen ved Institut for Fysik ved det kinesiske videnskabsakademi har for nylig designet en isolerende magnetisk heterostruktur Y ₃ Fe ₅ O ₁₂ /NiO/Pt med vinkelret magnetisk anisotropi (PMA), hvor MTT-effekten er entydigt bekræftet af det strømdrevne magnetiseringsskiftefænomen.

I denne struktur, platin som et tungmetal med stærk spin-kredsløbskobling er ansvarlig for at producere ren spinstrøm ved at påføre en strøm gennem det. Som en antiferromagnetisk isolator, NiO bruges til at konvertere elektronisk spinstrøm til magnonisk spinstrøm (magnonstrøm). Det isolerende Y ₃ Fe ₅ O ₁₂ (YIG) med PMA påføres som en magnonvask. Når først MTT eksisterer, magnetiseringen af ​​YIG kan vippes eller skiftes af magnonstrømmen.

Som isolatorer, YIG og NiO kan sikkert forhindre elektronisk strøm i at trænge ind i dem, så enhver påvirkning fra elektronisk spinstrøm kan elimineres. På samme tid, vinkelret YIG kan ikke omskiftes deterministisk af et Ørsted-felt i planet, hvilket fuldt ud kan udelukke en mulighed for Oersted-mekanismen. Derfor, kun magnonstrømmen gennem det antiferromagnetiske NiO har evnen til at udøve drejningsmoment på YIG og forårsager dens magnetiseringsskift.

Denne observation verificerer således utvetydigt MTT-effekten. I henhold til egenskaberne ved SOT-induceret magnetiseringsskift, hvis det anvendte felt i planet er omvendt, SOT-koblingsretningen skal også vendes. Denne funktion kan være en ekstra indikation for MTT-effekten.

Derfor, dette arbejde fastlægger klart det fysiske scenarie for magnetonoverførselsmomenteffekten, og viser, at MTT er nyttigt som et værktøj til at kontrollere magnetisering af magnetiske isolatorer, som kan fremme udviklingen af ​​ren magnon-hukommelse og logiske enheder.

Det relaterede arbejde er blevet offentliggjort i Fysisk gennemgang B med titlen "Switching vinkelret magnetisering af en magnetisk isolator ved magnon overførselsmoment."