【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】磁性阻尼是自旋動力學中一個非常重要的參數(shù)，它表征電子能量及動量向晶格弛豫的過程的快慢，決定了磁化翻轉(zhuǎn)時間和臨界電流密度。理解和控制磁性材料的阻尼因子對基礎研究和自旋電子學器件的設計至關重要。內(nèi)稟阻尼因子與自旋-軌道耦合強度、費米面處的態(tài)密度以及動量散射時間有關。而在鐵磁/非磁材料異質(zhì)結(jié)的體系中，拓撲絕緣體表面態(tài)以及Rashba界面成為改變阻尼因子的另一影響因素。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M04成昭華研究員課題組長期致力于鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)體系自旋動力學方面的研究。在先期的工作中，他們通過角分辨光電子能譜(ARPES)測量結(jié)果顯示α-GeTe同時具有表面和體Rashba能帶結(jié)構，其體Rashba系數(shù)可至~4.8eVÅ,對應的自旋劈裂能高達~2300KBT,隨著薄膜厚度的降低，建立了體Rashba系數(shù)與厚度的標度律，解釋其中Rashba效應產(chǎn)生的原因[Xu Yang et al., Nano Lett. 21, 77–83(2021)]。 基于二次諧波探測技術，在α-GeTe中探測到可達室溫的非互易輸運行為[Yan Li et al., Nat. Commun. 12, 540 (2021)],在鐵磁/GeTe異質(zhì)結(jié)中首次發(fā)現(xiàn)體Rashba能帶帶來的非局域各向異性阻尼因子[Xu Yang et al., Phys. Rev. Lett. 131,186703 (2023)],但鐵電半導體α-GeTe的表面態(tài)對相鄰鐵磁層的自旋動力學影響尚不清楚。
最近，他們再次與中山大學侯玉升副教授合作，系統(tǒng)研究了Fe/α-GeTe異質(zhì)結(jié)中的表面電子態(tài)對阻尼因子的影響。他們利用超高真空分子束外延系統(tǒng)，生長Fe與GeTe的異質(zhì)結(jié)，通過Bi元素的摻雜改變GeTe的費米能級。結(jié)合原位的角分辨光電子能譜，觀察到GeTe的費米能級隨著Bi含量的增加而剛性移動：Bi元素只提供電子摻雜，影響費米能級位置不改變體Rashba和表面Rashba劈裂大小(圖(a)-(f))。利用鐵磁共振技術，對摻雜體系的阻尼因子進行探索(測試構型圖(h))，由于體態(tài)會向更深的結(jié)合能方向移動，因此可以預計自旋泵浦效應會導致磁阻尼因子隨著Bi摻雜的增大而減小。與預測相反，他們發(fā)現(xiàn)體系的阻尼因子在摻雜Bi為3at%時達到最大(圖(i))，此時費米能級恰好穿過GeTe表面Rashba態(tài)的交點。結(jié)合第一性原理計算，他們發(fā)現(xiàn)GeTe表面態(tài)與Fe的能帶存在強烈雜化，使得阻尼因子大幅度增強，并呈現(xiàn)出費米能級位置依賴的特性(圖(j))。同時，第一性原理計算結(jié)果表明，能帶雜化導致的阻尼因子與雜化能帶上GeTe 的態(tài)密度成正比(圖(j))。這項工作闡述了雜化能帶結(jié)構對磁阻尼因子的影響，并為提出利用能帶工程調(diào)控磁阻尼因子的可能性。
相關工作發(fā)表在Advanced Science 2411798，2024。楊旭和中山大學李家萬為論文的第一作者，成昭華和中山大學侯玉升為共同通訊作者。該項研究工作受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中國科學院的大力資助。
圖1. 能帶調(diào)控Fe/α-GeTe異質(zhì)結(jié)中阻尼因子 (a)-(d)為不同Bi摻雜含量的ARPES結(jié)果；(e)，(f)為表面態(tài)和體態(tài)的Rashba劈裂大小；(h)為異質(zhì)結(jié)體系的鐵磁共振測量示意圖；(i)實驗得到的阻尼因子與Bi摻雜含量的關系；(j)理論計算的阻尼因子與雜化能帶的態(tài)密度。
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