磁性存儲和磁邏輯等自旋電子學器件的核心在於自旋信息的傳遞，特別是自旋信息的產生、操控和探測是自旋電子學領域的一個基本問題。現有的自旋電子學中自旋信息主要依賴金屬中的傳導電子，一個非常有趣的問題是，是否有其他粒子甚至是準粒子可以作為自旋信息的載體？作為鐵磁體中低能激發態的準粒子——磁子，是一種玻色子，並且一個量子化的磁子攜帶一個普朗克常量的自旋角動量。在金屬中，傳導電子自旋的輸運通常伴隨著電荷的輸運。而在鐵磁絕緣體中，只存在通過磁子傳遞的自旋信息的輸運而沒有電荷的輸運，從而可以顯著降低器件的功耗。
2012年，美國亞利桑那大學教授張曙豐團隊從理論上預測了在重金屬/鐵磁絕緣體/重金屬(HM/MI/HM)三明治結構中，存在著磁子輔助的電流拖拽現象【S. S.-L. Zhang and S. Zhang, Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 096603；Phys. Rev. B 86 (2012) 214424】。其中一側重金屬中的電流由於自旋霍爾效應在HM/MI界面產生自旋積累，通過HM中傳導電子和MI中局域磁矩之間的s-d 電子之間的交換相互作用，可以激發MI中的磁子，磁子在MI中擴散形成磁子流，磁子流傳遞到另一側的HM中轉換成自旋流，該自旋流通過逆自旋霍爾效應從而可以在另一側的HM中產生電流。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)磁學國家重點實驗室研究員韓秀峰領導的研究團隊，利用磁控濺射技術結合高溫熱處理工藝經過一系列樣品的製備和優化，克服了以往YIG只能在單晶GGG襯底上製備的限制，在Si-SiO2襯底上設計和製備了Pt/YIG/Pt這種新型的重金屬/鐵磁絕緣體/重金屬層狀自旋閥結構。通過透射電子顯微鏡(TEM)和高角環形暗場像(HAADF)表明YIG具有較好的晶體結構，並且Pt和YIG的界面比較清晰。通過振動樣品磁強計(VSM)和鐵磁共振吸收譜(FMR)表明該樣品室溫下具有較強的磁性和較低的阻尼係數。其中底部和頂部Pt分別作為注入端和探測端，注入端電流沿x方向施加，探測端電壓同樣沿x方向測量。該實驗克服了以往的面內非局域自旋閥只能探測YIG中的磁子積累、無法直接探測YIG中磁子流的缺點，能夠直接將實驗結果和理論預測進行對比。
該課題組通過與張曙豐團隊合作，進行了實驗與理論模型的對比分析，發現該實驗獲得的室溫下的電流拖拽係數可以達到10-4量級，探測端電壓和注入端電流成線性關係，沒有觀察到截止電流，並且探測端電壓和YIG磁化強度沿y方向分量的平方成正比，這一特性與以往的自旋轉移力矩效應導致的YIG鐵磁共振【Y. Kajiwara et al., Nature 464 (2010) 262】和溫度梯度導致的自旋塞貝克效應【K. Uchida et al., Nat. Mater. 9 (2010) 894】不同。在YIG和Pt界面上，自旋和磁子的轉換效率正比於YIG中平衡態磁子的數目，對於理想界面和二次方的磁子譜分布，其探測端電壓和溫度的5/2次方成正比。通過擬合探測端電壓與YIG厚度的依賴關係，可以得到YIG中磁子流的衰減長度為38 nm，這點與其它研究組報導的有關YIG中自旋塞貝克效應的實驗結果相接近【S. M. Rezende et al., Phys. Rev. B 89 (2014) 014416】。
該項研究工作製備出的Pt/YIG/Pt—重金屬/鐵磁絕緣體/重金屬這種新型層狀自旋閥結構，對於研究鐵磁絕緣體中磁子的輸運性質具有重要的實驗與理論指導意義，是「鐵磁絕緣體自旋電子學」中非常有代表性的突破性進展，它充分表明以鐵磁絕緣體中磁子作為自旋信息載體的一類新型自旋電子學核心器件具有重要的應用前景，即以鐵磁絕緣體中的磁子作為自旋信息的載體，可以克服電荷流動產生的焦耳熱的影響，具有低能耗的特性；並且這種在Si-SiO2上製備的垂直方向上的層狀自旋閥結構，能夠與現有的大規模集成電路工藝進行匹配，有助於未來自旋電子器件與半導體微電子器件的相互集成和綜合利用。
該項工作的相關研究進展已發表在Phys. Rev. B 93 (2016) 060403(R)。相關研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部和中科院有關項目基金的支持。
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圖1. 探測端電壓和注入端電流的依賴關係(a)和(b)，探測端電壓的磁場依賴關係(c)
圖2. Pt/YIG/Pt中的磁子拖拽電壓(a)和Cu/YIG/Pt中的自旋塞貝克電壓(b)與YIG磁化強度方向的依賴關係
磁性存儲和磁邏輯等自旋電子學器件的核心在於自旋信息的傳遞，特別是自旋信息的產生、操控和探測是自旋電子學領域的一個基本問題。現有的自旋電子學中自旋信息主要依賴金屬中的傳導電子，一個非常有趣的問題是，是否有其他粒子甚至是準粒子可以作為自旋信息的載體？作為鐵磁體中低能激發態的準粒子——磁子，是一種玻色子，並且一個量子化的磁子攜帶一個普朗克常量的自旋角動量。在金屬中，傳導電子自旋的輸運通常伴隨著電荷的輸運。而在鐵磁絕緣體中，只存在通過磁子傳遞的自旋信息的輸運而沒有電荷的輸運，從而可以顯著降低器件的功耗。
2012年，美國亞利桑那大學教授張曙豐團隊從理論上預測了在重金屬/鐵磁絕緣體/重金屬(HM/MI/HM)三明治結構中，存在著磁子輔助的電流拖拽現象【S. S.-L. Zhang and S. Zhang, Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 096603；Phys. Rev. B 86 (2012) 214424】。其中一側重金屬中的電流由於自旋霍爾效應在HM/MI界面產生自旋積累，通過HM中傳導電子和MI中局域磁矩之間的s-d 電子之間的交換相互作用，可以激發MI中的磁子，磁子在MI中擴散形成磁子流，磁子流傳遞到另一側的HM中轉換成自旋流，該自旋流通過逆自旋霍爾效應從而可以在另一側的HM中產生電流。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)磁學國家重點實驗室研究員韓秀峰領導的研究團隊，利用磁控濺射技術結合高溫熱處理工藝經過一系列樣品的製備和優化，克服了以往YIG只能在單晶GGG襯底上製備的限制，在Si-SiO2襯底上設計和製備了Pt/YIG/Pt這種新型的重金屬/鐵磁絕緣體/重金屬層狀自旋閥結構。通過透射電子顯微鏡(TEM)和高角環形暗場像(HAADF)表明YIG具有較好的晶體結構，並且Pt和YIG的界面比較清晰。通過振動樣品磁強計(VSM)和鐵磁共振吸收譜(FMR)表明該樣品室溫下具有較強的磁性和較低的阻尼係數。其中底部和頂部Pt分別作為注入端和探測端，注入端電流沿x方向施加，探測端電壓同樣沿x方向測量。該實驗克服了以往的面內非局域自旋閥只能探測YIG中的磁子積累、無法直接探測YIG中磁子流的缺點，能夠直接將實驗結果和理論預測進行對比。
該課題組通過與張曙豐團隊合作，進行了實驗與理論模型的對比分析，發現該實驗獲得的室溫下的電流拖拽係數可以達到10-4量級，探測端電壓和注入端電流成線性關係，沒有觀察到截止電流，並且探測端電壓和YIG磁化強度沿y方向分量的平方成正比，這一特性與以往的自旋轉移力矩效應導致的YIG鐵磁共振【Y. Kajiwara et al., Nature 464 (2010) 262】和溫度梯度導致的自旋塞貝克效應【K. Uchida et al., Nat. Mater. 9 (2010) 894】不同。在YIG和Pt界面上，自旋和磁子的轉換效率正比於YIG中平衡態磁子的數目，對於理想界面和二次方的磁子譜分布，其探測端電壓和溫度的5/2次方成正比。通過擬合探測端電壓與YIG厚度的依賴關係，可以得到YIG中磁子流的衰減長度為38 nm，這點與其它研究組報導的有關YIG中自旋塞貝克效應的實驗結果相接近【S. M. Rezende et al., Phys. Rev. B 89 (2014) 014416】。
該項研究工作製備出的Pt/YIG/Pt—重金屬/鐵磁絕緣體/重金屬這種新型層狀自旋閥結構，對於研究鐵磁絕緣體中磁子的輸運性質具有重要的實驗與理論指導意義，是「鐵磁絕緣體自旋電子學」中非常有代表性的突破性進展，它充分表明以鐵磁絕緣體中磁子作為自旋信息載體的一類新型自旋電子學核心器件具有重要的應用前景，即以鐵磁絕緣體中的磁子作為自旋信息的載體，可以克服電荷流動產生的焦耳熱的影響，具有低能耗的特性；並且這種在Si-SiO2上製備的垂直方向上的層狀自旋閥結構，能夠與現有的大規模集成電路工藝進行匹配，有助於未來自旋電子器件與半導體微電子器件的相互集成和綜合利用。
該項工作的相關研究進展已發表在Phys. Rev. B 93 (2016) 060403(R)。相關研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部和中科院有關項目基金的支持。
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圖1. 探測端電壓和注入端電流的依賴關係(a)和(b)，探測端電壓的磁場依賴關係(c)
圖2. Pt/YIG/Pt中的磁子拖拽電壓(a)和Cu/YIG/Pt中的自旋塞貝克電壓(b)與YIG磁化強度方向的依賴關係