涡旋磁振子的研究
发布时间：2021-03-31 06:40
自旋是电子的内禀物理属性,也是实现信息存储和数据处理最为重要的物理基元。传统上,利用自旋磁矩的翻转和进动来实现的数据存储和信息交换,由于调控手段的非局域化特点和高能耗缺陷,已经远远不能满足未来对信息功能器件超快、低能耗和高密度集成的需求。自旋波,作为磁有序的低能集体激发态,由于其GHz以上频段的高频性质、微纳米尺度的波长、和无焦尔发热的传播特性,成为了自旋信息存储、运算和传递的理想载体。作为磁有序系统的无能隙集体激发态,自旋波对应于磁性系统中携带一个量子自旋角动量（h）的玻色性元激发准粒子—磁振子（magnon）。然而,对于磁振子的调控和携带信息的读写,由于其微小的量子化自旋角动量和传播过程的指数阻尼衰减,效率和精确性成为了自旋波电子学未来应用面临的内禀困难。在本文中,我们通过Aharanov-Casher效应对交换自旋波引入轨道角动量（OAM）作为新的物理自由度来克服传统自旋波电子学的潜在隐患。一方面,自旋波可以携带任意大小的轨道角动量,形成拓扑非平庸的涡旋自旋波（twisted magnon）激发态;另一方面轨道角动量跟涡旋自旋波的拓扑核是紧密联系在一起的,而拓扑核是内禀的物理性质...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
传统电子学、自旋电子学与磁振子电子学[9]
馕恢茫??鸫呕?慷鹊慕???佣?诖盘逯屑し⒊鲎孕?╗8]；调参自旋波信号放大器可以从自旋系统的热涨落中提取并放大自旋波信号[10][21]；在铁磁/多铁性异质结中，存在可由电场调控的交换偏置场和各向异性场，能够用于自旋波的激发[22][23]；以及所谓的自旋转移力矩（spintransfertorque，STT）磁振子注入术[24–27]。需要指出的是，在这些方法中，能量的转换率都是比较低的。自旋转移力矩磁振子注入术能够将自旋波和具有自旋极化的直流电流直接耦合起来，从而将磁振子电学与基于电子的微电子学和自旋电子学结合到了一起。图1.2自旋波（磁振子）的自旋转移力矩激发[41]可以通过多种方法对磁性系统中的自旋波进行探测。这些方法主要有：传统的微波感应天线技术、时间分辨率磁光克尔效应（time-resolvedmagneto-opticalkerreffect）[28]、时间分辨磁光法拉第效应（time-resolvedmagneto-opticalfaradyeffect）[29]、布利渊散射谱（Brillouinlightscattering）[10][30]和自旋泵浦效应（spinpumpingeffect）[31–35]。其中的磁光克尔效应、磁光法拉第效应和布利渊散射谱为光学方法。布利渊散射谱能够为我们提供很宽频率范围和波矢范围的自旋波的空间分布信息、频谱以及相位信息[36–38]。除此之外，还可以用热学方法对自旋波进行探测[39][40]。当在电路中运用磁振子器件时，我们就需要利用电流进行自旋波激发的方法。借助于微波技术，利用交变电流进行自旋波注入较为容易实现；然而，利用直流电流进行自旋波注入则要复杂的多。当自旋极化的电流（spin-polarizedcurrent）流经铁磁性薄膜时，将在薄膜内产生自旋转移力矩，从而使得薄膜的磁化强度发生重新取向或进动，在其内产生自旋波[42–44]。为了产生自旋极化的电流，需要在电流注入铁磁性薄膜之前，令?
兰州大学博士学位论文涡旋磁振子的研究性且依赖于外加磁场的取向[24]。而在具有垂直磁化的坡莫合金薄膜中，同样利用布利渊散射谱，证实了自旋转移力矩纳米振子所发射的径向自旋波的磁振子自由程（magnonfreepath）与理论相一致（图（1.2.a））[25]。图1.3自旋波（磁振子）信号的电学信号转换[41]利用自旋泵浦-逆自旋霍尔效应机制不仅可以对偶极长波自旋波进行探测，还可以对短波长交换自旋波进行探测[34]。在纳米磁振子器件中，短波长的交换自旋波相比于长波自旋波更具有价值。交换型磁振子的激发可以利用参数泵浦技术（parametricpumpingtech-nique）（图（1.3.b）[10][21][34]）。通过改变外加偏置磁场，可以对磁振子能谱进行调节并改变自旋波波长，如图（1.3.b）所示。图（1.3.b）给出了不同外加偏置场下自旋波波长与相应的逆霍尔效应电压，从中我们可以看出很宽波矢范围内的交换自旋波都参与了自旋泵浦-逆自旋霍尔效应[34]。利用平行泵浦技术（parallelparametricpumpingtechnique）和垂直泵浦技术（perpendicularparametricpumpingtechnique）进一步地证明了自旋泵浦效应的效率与参与的自旋波波长无关[69]。静磁表面自旋波在磁体中的传播具有非可逆的特点。如果外加偏置磁场的方向发生改变，那么自旋波的传播方向也会被扭转[18]。这就意味着，由静磁表面自旋波参与的自旋泵浦-逆自旋霍尔效应中，感生的逆自旋霍尔电压与外加偏置磁场的方向有关[70]。图（1.3.c）的装置在实验上证实了这一结论。还可以通过自旋霍尔效应（spinHalleffect,SHE）产生具有自旋极化的电流。在存在强烈自旋轨道耦合（spin-orbitalcoupling）的半导体材料和非磁性材料中，电子自旋会因磁性散射而发生改变;当电流经过具有垂直于其流向且处于面内磁化状态的薄膜时，会发生
本文编号：3110988
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
传统电子学、自旋电子学与磁振子电子学[9]
馕恢茫??鸫呕?慷鹊慕???佣?诖盘逯屑し⒊鲎孕?╗8]；调参自旋波信号放大器可以从自旋系统的热涨落中提取并放大自旋波信号[10][21]；在铁磁/多铁性异质结中，存在可由电场调控的交换偏置场和各向异性场，能够用于自旋波的激发[22][23]；以及所谓的自旋转移力矩（spintransfertorque，STT）磁振子注入术[24–27]。需要指出的是，在这些方法中，能量的转换率都是比较低的。自旋转移力矩磁振子注入术能够将自旋波和具有自旋极化的直流电流直接耦合起来，从而将磁振子电学与基于电子的微电子学和自旋电子学结合到了一起。图1.2自旋波（磁振子）的自旋转移力矩激发[41]可以通过多种方法对磁性系统中的自旋波进行探测。这些方法主要有：传统的微波感应天线技术、时间分辨率磁光克尔效应（time-resolvedmagneto-opticalkerreffect）[28]、时间分辨磁光法拉第效应（time-resolvedmagneto-opticalfaradyeffect）[29]、布利渊散射谱（Brillouinlightscattering）[10][30]和自旋泵浦效应（spinpumpingeffect）[31–35]。其中的磁光克尔效应、磁光法拉第效应和布利渊散射谱为光学方法。布利渊散射谱能够为我们提供很宽频率范围和波矢范围的自旋波的空间分布信息、频谱以及相位信息[36–38]。除此之外，还可以用热学方法对自旋波进行探测[39][40]。当在电路中运用磁振子器件时，我们就需要利用电流进行自旋波激发的方法。借助于微波技术，利用交变电流进行自旋波注入较为容易实现；然而，利用直流电流进行自旋波注入则要复杂的多。当自旋极化的电流（spin-polarizedcurrent）流经铁磁性薄膜时，将在薄膜内产生自旋转移力矩，从而使得薄膜的磁化强度发生重新取向或进动，在其内产生自旋波[42–44]。为了产生自旋极化的电流，需要在电流注入铁磁性薄膜之前，令?
兰州大学博士学位论文涡旋磁振子的研究性且依赖于外加磁场的取向[24]。而在具有垂直磁化的坡莫合金薄膜中，同样利用布利渊散射谱，证实了自旋转移力矩纳米振子所发射的径向自旋波的磁振子自由程（magnonfreepath）与理论相一致（图（1.2.a））[25]。图1.3自旋波（磁振子）信号的电学信号转换[41]利用自旋泵浦-逆自旋霍尔效应机制不仅可以对偶极长波自旋波进行探测，还可以对短波长交换自旋波进行探测[34]。在纳米磁振子器件中，短波长的交换自旋波相比于长波自旋波更具有价值。交换型磁振子的激发可以利用参数泵浦技术（parametricpumpingtech-nique）（图（1.3.b）[10][21][34]）。通过改变外加偏置磁场，可以对磁振子能谱进行调节并改变自旋波波长，如图（1.3.b）所示。图（1.3.b）给出了不同外加偏置场下自旋波波长与相应的逆霍尔效应电压，从中我们可以看出很宽波矢范围内的交换自旋波都参与了自旋泵浦-逆自旋霍尔效应[34]。利用平行泵浦技术（parallelparametricpumpingtechnique）和垂直泵浦技术（perpendicularparametricpumpingtechnique）进一步地证明了自旋泵浦效应的效率与参与的自旋波波长无关[69]。静磁表面自旋波在磁体中的传播具有非可逆的特点。如果外加偏置磁场的方向发生改变，那么自旋波的传播方向也会被扭转[18]。这就意味着，由静磁表面自旋波参与的自旋泵浦-逆自旋霍尔效应中，感生的逆自旋霍尔电压与外加偏置磁场的方向有关[70]。图（1.3.c）的装置在实验上证实了这一结论。还可以通过自旋霍尔效应（spinHalleffect,SHE）产生具有自旋极化的电流。在存在强烈自旋轨道耦合（spin-orbitalcoupling）的半导体材料和非磁性材料中，电子自旋会因磁性散射而发生改变;当电流经过具有垂直于其流向且处于面内磁化状态的薄膜时，会发生
本文编号：3110988
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