NanoLetters非局域磁子传输的各向异性

　　磁子可以在磁有序的绝缘体中利用局域自旋之间的耦合来传输自旋角动量，实现信息的远距离和低能量损耗传输，可能成为一种理想的信息载体。在绝缘（亚）铁磁和反铁磁体系，特别是在亚铁磁钇铁石榴石（YIG）材料中，研究者对磁子在不同温度、化学势、外加磁场和磁子漂移流等条件下的磁子自旋扩散长度特性进行了广泛研究。其中一个重要的问题是非局域磁子输运是否存在各向异性？然而各向异性磁子介导的自旋输运尚未被实验观测。
　　近日，清华大学集成电路学院南天翔助理教授、康乃尔大学Daniel Ralph教授，联合斯坦福大学Yuri Suzuki教授课题组，报道了外延的超薄镁铝铁氧体MgAl0.5Fe1.5O4 (MAFO)尖晶石薄膜材料的磁子输运研究，发现非局域磁子介导的自旋扩散长度具有显著的各向异性。本文研究者们结合磁子色散关系提出磁子自旋输运中的各向异性是由磁交换刚度中的各向异性所主导的。本文结果也表明，磁子自旋输运测量可以作为磁交换刚度的一种间接表征手段，而这种磁交换刚度的操纵(例如，通过外延应变)为设计磁子学器件提供了一种新策略。该研究成果以＂  Anisotropic magnon spin transport in ultrathin spinel ferrite thin films -Evidence for anisotropy in exchange stiffness  ＂为题发表在  Nano Letters  上。
　　图一：非局域磁子传输示意图、器件扫描电镜图像、磁子自旋传输方向进行设计以及MAFO薄膜的面内四重磁各向异性表征。
　　在材料选择方面，外延超薄的MAFO薄膜在维持较低磁性阻尼特性的同时具备显著的面内四重磁各向异性，为研究磁子传输的各向异性提供了合适的平台。图一显示了非局域磁子传输示意图及器件的扫描电镜图像。器件由一组Pt纳米线组成，利用自旋霍尔效应或自旋塞贝克效应在中间Pt纳米线输入自旋，并通过逆自旋霍尔效应在两侧的Pt纳米线探测自旋。通过不同Pt纳米线的排列可以对磁子自旋传输方向进行设计。研究发现磁子介导的自旋扩散长度具有显著的各向异性，沿磁易轴的自旋扩散长度比沿磁难轴的长30%以上（图二）。
　　图二：MAFO薄膜磁子自旋扩散长度的各向异性。其中磁易轴为，磁难轴为。
　　结合计算（图三），研究者发现MAFO薄膜中存在的磁各向异性对自旋扩散长度的影响较小，而且如果磁各向异性可以影响磁子输运，那么自旋扩散长度应该在磁易轴方向上更短，这与该实验观测到的结果相反。然而磁交换刚度对自旋扩散长度的影响显著与实验观测吻合。
　　图三：不同磁各向异性以及磁交换刚度下的磁子色散关系以及群速度。
　　该工作第一作者为康奈尔大学李若凡博士，通讯作者为康奈尔大学Daniel Ralph教授和清华大学集成电路学院南天翔助理教授。合作者包括斯坦福大学李鹏博士、Lauren Riddiford、Yuri Suzuki教授，清华大学材料学院易迪助理教授，清华大学集成电路学院柴亚红博士。
　　论文链接：
　　https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04332