最近、南京大学の王雪峰教授と学術士張栄のチームと複数の研究グループ協力してください、強磁性体において/スピン流輸送と非磁性ヘテロ接合の変換においては、次々と進歩が見られました。関連する結果はそれぞれへ“非共面磁性ヘテロ構造における大きな異常ホール効果”そして“室温におけるトポロジカル絶縁体-磁性絶縁体ヘテロ構造におけるゲート調整可能なスピンから電荷への変換”タイトル、インナーカバーとして (フロント カバーの内側) と口絵（口絵) ハイライト記事インターナショナル形式で発行よく知られている日記"先端機能材料" (先端機能材料）。
それぞれ内側のカバーとして選択されたカバーのレンダリング (フロント カバーの内側) と口絵 (口絵）。
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スピントロニクスは主に電子のスピン特性を利用して情報を保存、送信、処理します。低消費電力、高速、高効率という利点があり、ビッグデータ、クラウドコンピューティング、モノのインターネット、人工知能の急速な発展を促進します。スピンエレクトロニクス技術と集積回路技術を組み合わせたスピンチップ技術は、高感度磁気センサーや不揮発性磁気ランダムアクセスメモリなどのハイエンドスピンチップを量産してきました。ポスト・ムーア時代の集積回路開発が直面する消費電力のボトルネックを解決すると期待される重要な技術の一つと考えられている。ただし、消費電力をさらに削減するために、スピンチップでより効率的なスピン輸送と検出を実現するにはどうすればよいでしょうか (tofJ偶数aJレベル) は直面している重要な科学的問題です。近年、スピン力の強い｝-軌道結合特性を備えた新しいスピン電子材料は急速に開発されており、より高い効率と超低電力のスピン輸送とデバイスの検出を実現すると期待されており、これはスピンベースの集積回路と量子情報技術の開発に新たな機会を提供します。王学峰教授の研究グループは長年スピンチップに焦点を当ててきました。“スピン流の効率的な生成”そして“スピン流から電荷流への効率的な変換”デバイスのパフォーマンスに決定的な役割を果たすこれら 2 つの物理プロセスに関する体系的な研究を実施します。2024「自然素材》と《自然コミュニケーション》は、トポロジカル表面状態とそれに関連する酸化物界面における二次元電子ガスの巨大な非相反スピン輸送の観察と、対称工学による超高速スピン光電流の制御とテラヘルツ波の効率的な放出における3つの代表的な革新を継続的に報告した(ナット。メーター。 23、1208 (2024)。ナット。共通。 15、2992 (2024); ナット。共通。 2605年15日(2024年);光科学。応用13、181 (2024))。ただし、大面積の高品質の強磁性体をどのように構築するか/スピン流の効率的な生成と変換を達成するための非磁性ヘテロ接合は、依然として重要な未解決の問題である。
1. 非共面磁性ヘテロ構造における巨大な異常ホール効果
異常ホール効果 (あへ）はいスピン輸送を徹底的に研究現象、情報ストレージおよびセンシングデバイスに重要な用途を持っています。スキルミオン以来 (スキルミオン) の発見以来、トポロジカル スピン テクスチャー (トポロジカル スピン テクスチャ) は、スピントロニクス研究において常にホットスポットでした。これクラス渦のような準粒子はトポロジカルな電荷を運ぶことができ、データ保存とニューロモーフィック コンピューティングにおいて有望であるアプリケーション可能性しかし、異種界面でのトポロジカル スピン テクスチャはどのような影響を与えるのですかあへその影響はほとんど報告されていません。
用この質問は、王雪峰教授研究グループ使用パルスパルス レーザー デポジションテクノロジー、atサファイア基板表面現場での建設了高品質Cr5テ6/Ptヘテロ構造、選択10nm太いCr5テ6磁石としての薄膜断熱材レイヤー、違うでしょうポイント厚さのヘテロ構造がホール デバイスに準備され、輸送結果はデバイス内でのみスピン輸送が発生することを示していますポイントレイヤー、明らかな表示あへ(写真1)。さらに、次のことが観察されました。ポイント厚さの変化によって生じる信号反転は、厚さの変化によって引き起こされる電子と正孔の相互拡散によるもので、フェルミ準位付近でのベリー曲率の再構築につながります。その中で、3nmポイント厚いデバイスの異常なホール抵抗率最大値に達しました114nΩ・cm@5 K，その値はどこにある参照報告済み磁気絶縁体/重金属ヘテロ構造内最大。第一原理計算と組み合わせると、ベリー曲率の誘導が巨大であることがさらに確認されます。あへの固有のメカニズム。
写真1.Cr5テ6/Ptヘテロ構造における磁気輸送パフォーマンステスト中。
ヘテロ界面のトポロジカルスピン組織を低温で観察するには(10K）、強い磁場 (9T)磁気顕微鏡ペアその実空間観測を実行する(写真2)、見つかりましたat06-065 T範囲内ではスキルミオンの密度は以下に達しますこれは、約06Tピーク現象完璧に一致。複合磁気試験結果分析、付きCr5テ6膜厚の減少、その面内異方性一歩ずつ劣化，異種界面でのトポロジカルスピンテクスチャーの形成に寄与する原子スケールのシミュレーションの結果と一致しています。ヘテロ構造のペアリングによるあへの数値シミュレーション、実空間での確立に成功トポロジカル スピン テクスチャ運動量空間のベリー曲率を使用内側接続によりトポロジカル スピン テクスチャが明らかになるはいあへの作用機序(写真2j,k）。
写真2.Cr5テ6/Ptヘテロ接合中スキルミオンの磁気顕微鏡観察と原子レベルのシミュレーション。
非共面磁性に関するこの研究異種構造Cr₅Te₆/Pt達成年巨大なの異常なホール抵抗率(114nΩ・cm），現在の磁気絶縁体です/重金属ヘテロ構造内文書開示一番大きな価値。第一原理計算温度変化と電子を表示-穴の相互拡散はベリー曲率の再構築につながります。磁気顕微鏡技術を通じて実空間で直観的に観察インターフェースどこにでも存在します、原子レベルのシミュレーションを通じてトポロジカルスピンテクスチャー誘起をさらに確認あへ重要な役割が生み出されました。仕事異質性を探るため構造中注目に値するあへ新しいものを開きました考え，トポロジカル スピン テクスチャに対する人々の理解を促進し、あへ相関関係の理解は、新しい低電力トポロジの開発の基礎にもなりますスピントロニクス デバイス理論的根拠を提供します。
南京大学の王学峰教授張岳、北航大学教授と南京科学技術大学、ザイ・シュエチャオ教授は論文の共同責任著者です。南京大学博士号取得北京航空航天大学の学生 Song Anke、Chen Yequan (現在、南京郵電大学講師)、Zhang Jin'e 准教授、Zhang Zhizhong 准教授が共同筆頭著者。学者の張栄氏はこの研究に重要な指導を与えました,徐永冰教授、宋フェンチー教授趙偉生教授とこの作業に重要な支援を提供しました。南京大学はこの論文を完成させた最初の単位である。この研究は、中国国家自然科学財団、国家重点研究開発プログラムおよびその他のプロジェクトによって資金提供されました。。
2. トポロジカル絶縁体ヘテロ構造における調整可能なゲート電圧によるスピン-効率的な電荷変換
スピン軌道モーメント (SOT) は、強力なスピン軌道結合材料におけるスピンの蓄積を通じて、隣接する強磁性層の磁気モーメントに作用するトルクです。これは強磁性層の磁化方向を効果的に制御することができ、新しい情報記憶装置や論理デバイスの開発にとって重要なメカニズムです。効率の良いスピン-電荷変換 (通常はスピン ホール角を使用)θSH特徴付け) そうですねSOTデバイスの実際の用途は非常に重要です。近年、トポロジカル表面状態のスピンにより、トポロジカル絶縁体が人気を博しています-勢いをロックする機能が大きな注目を集めています。ただし、室温でのトポロジカル絶縁体のバルク状態は欠陥の存在により非常に導電性になり、全体的にはθSH下。したがって、トポロジカル絶縁体の調整可能な電場をどのように実現するかθSHまだ大きな課題です。
用この質問です、王雪峰教授研究グループパルスレーザー堆積法を使用した大面積トポロジカル絶縁体の探索に専念(ビ0.1Sb0.9)2テ3（BST）薄膜の迅速な作製、at磁気絶縁体YIG表面成功準備高品質BST映画。続いてスピンポンピング｝-探索すべき強磁性共鳴測定BST/YIG室温でのヘテロ接合におけるスピン流から電荷流への変換 (図3)。共鳴条件下では、スピン流はYIG生成され、注入されたBST層。BSTの強力なスピン軌道結合次に、スピン流を電荷流に変換し、その結果、大きなスピンポンプ電圧信号が生成されます。共鳴場、共鳴周波数、半波長幅、スピンポンプ信号ペアなどの重要なパラメーターを分析した後BST膜厚の依存性、計算値θSH用~0.76、対応するスピン拡散長λSD用625nm。
写真3. BST/YIG異種ジャンクションでのスピンポンピング-強磁性共鳴の測定結果。
身体と表面の状態を調整してより高いレベルを達成するためにθSH、研究チームは原子層堆積技術をBST/YIGヘテロ構造のさらなる成長15nm太いアル2O3電界制御のためのゲート誘電体層として (図4)。で-2宛先3 Vのゲート電圧範囲内では、磁場に依存する電圧信号はゲート電圧に応じて大きく変化します。これは、ゲート電圧が、室温におけるトポロジカル絶縁体におけるスピン流から電荷流への変換効率の効果的な制御を達成することを十分に実証している。電界制御を明らかにするためにBST/YIGヘテロ構造におけるスピン流から電荷流への変換効率のメカニズム、計算済みBST薄膜内のキャリア濃度に依存するゲート電圧とθSH、見つかりました正のゲート電圧が印加されると、フェルミ準位は上方に移動し、キャリア濃度が減少します。1 Vバンドギャップに入ると表面状態は逆になる｝エーデルシュタイン効果は優勢であり、対応するθSH最大値に達しました~0.9、これは文献の中で最大の公開レポートであり、トポロジカル表面状態の重要な役割を強調しています。
写真4. BST/YIG特異なジャンクションのゲート電圧を調整できるスピン ポンプ信号。
この仕事はBST/YIGヘテロ接合が進行中達成室温調整可能な電界、最大の出版文献レポートのθSH、帰属:BST映画の中の逆スピンホール効果と表面状態の逆エーデルシュタイン効果。電場によって制御されます。BSTのフェルミ準位表面状態の逆数であるバンドギャップに調整されますエーデルシュタインその効果はスピン流から電荷流への変換を強化し、支配します。θSHしたがってから~0.76次へ昇格~0.9。仕事｝探検用トポロジカル絶縁体におけるスピンの電場変調-電荷変換は新しいアイデアを開き、トポロジカル表面状態がどのようにスピン流変換効率を向上させるかについて人々の理解を深め、低電力スピントロニクスデバイスにおけるトポロジカル絶縁体の潜在的な応用も促進します。
南京大学の王学峰教授中国科学院マイクロエレクトロニクス研究所のXing Guozhong研究員とはこの論文の共同責任著者です。南京大学博士号取得孫文宣が筆頭著者。学者の張栄氏はこの研究に重要な指導を与えました。南京大学徐永冰ペンシルバニア州立大学教授張翠瑞教授この作業に重要な支援を提供しました。南京大学はこの論文を完成させた最初の単位である。この研究は、中国国家自然科学財団、国家重点研究開発プログラムおよびその他のプロジェクトから資金提供を受けました。資金。
