Adv. Funct. Mater.封面文章：西安交大在自旋电子器件研究上取得新进展

【引言】

随着自旋电子学的巨磁阻（GMR）与隧道磁阻（TMR）效应被广泛应用于各类商业磁性存储器中，各种新型自旋电子学器件，如稀磁半导体、磁性随机存取存储器、自旋场效应晶体管、自旋发光二极管等也得到了广泛的研究。然而目前人们对于自旋的调控，更多是借助电流和磁场，这使得自旋电子元器件存在能耗大、体积大、热量高等缺点，而用磁场调控自旋方向也容易影响相邻区域的自旋，增加了系统出错率。因此，如何用更加能效的方式来调控电子自旋成为开发新一代自旋电子器件的挑战之一。

【成果简介】

磁振子学作为现代自旋电子学的一项新兴发展的研究方向，其能够通过自旋波的形式传播和处理信息，从而使得信息的传播和存储能更加高效和便捷。这其中如何以能效的方式控制自旋波的激发便是一项重要的研究目标。

西安交通大学电信学院刘明教授课题组利用脉冲激光沉积法在PMN-PT(001)衬底上外延生长了La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜，系统表征了其外延结构、磁性、铁磁共振特性以及自旋波变化特性。根据界面或表面处的不同边界条件，将导致La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜中激发不同的自旋波共振模式（Spin wave，由磁性物质中局域自旋之间的交换作用耦合而形成的，将自旋扰动以自旋波形式传播），包括表面自旋波模式、体自旋波模式以及均一模式，因此，界面条件的变化将导致磁性薄膜中产生不同的自旋波模式，而且可以通过改变异质结的界面条件来调控其自旋波的动态变化，可以达到电场原位调控自旋波的目的。此外，随着磁场与薄膜表面夹角的变化，磁性薄膜中的三种模式的自旋波会出现相互转换，只有在临界角处才会出现均一模式的自旋波；随着温度的改变，自旋波的模式也会出现变化。在电场的调控下，La_0.7Sr_0.3MnO₃/PMN-PT (001)异质结中界面应变会发生变化，从而可以引起自旋波出现的临界角的变化，实现对自旋波激发和消失两种状态的调控。最后，一种新的自旋-晶格耦合模型被提出来解释电场调控自旋波的实验现象，该模型认为电场引起的晶格应变可以导致磁性薄膜中自旋交换耦合系数的变化，从而引起自旋波的变化，其理论分析与实验结果十分吻合。该新型自旋-晶格耦合模型所引起的自旋动力学调控将为能效型磁子学器件的开发提供理论平台。

【图文导读】

图1 自旋波激发与调控的原理示意图

(a) 不同外磁场角度下的表面各向异性参量A，其决定了LSMO薄膜中的自旋波共振模式；

(b) 在LSMO/PMN-PT多铁异质结中通过电场调控自旋-晶格耦合，进而调控自旋波的原理示意图。

图2LSMO/PMN-PT多铁异质结的结构和磁性表征

(a) LSMO/PMN-PT多铁异质结的高分辨XRD图谱；

(b) 温度为300 K和193 K时测得的LSMO/PMN-PT多铁异质结的磁滞回线，其中外加磁场沿面内方向。

图3自旋波共振模式随外磁场角度的依赖关系

(a) 温度为193 K时LSMO/PMN-PT多铁异质结中自旋波的共振场和相对强度随角度的变化关系；

(b) 铁磁共振谱在外磁场角度和大小面上的等高线图，其显示了自旋波共振的相图。谱图上标定了表面自旋波消失的临界角度，相图上标出了不同自旋波共振模式的相区间。

图4自旋波共振模式随温度的依赖关系

铁磁共振谱在温度和外磁场大小面上的等高线图，其显示了LSMO/PMN-PT多铁异质结中面外方向自旋波共振的相图，温度测试的步长是5 K。谱图上标定了表面自旋波出现的临界温度，相图上标出了不同自旋波共振模式的相区间。

图5电场调制自旋波激发

温度为193 K时LSMO/PMN-PT多铁异质结中通过电场调制临界角附近的自旋波，自旋波共振随电场的变化趋势已经在图中标出。

图6电场通过自旋-晶格耦合调制自旋波位移

(a)和(b)分别为自旋波共振谱在193 K和223 K时随外加电场的变化关系，外加磁场垂直于薄膜表面。

(c)和(d)分别为(a)和(b)中蓝色虚线框部分的局部放大图。箭头反映了自旋波共振随外加电场的变化趋势，第一个体自旋波和表面自旋波在电场为0 kV/cm和20 kV/cm之间的变化量已经在图中给出。

(e)温度为193 K时面外方向一阶自旋波共振场H_D1和自旋波劲度系数随电场的变化关系，自旋波劲度系数由文中的公式(10)推出。

【总结与展望】

该工作利用多铁复合材料耗能低、响应快、便于集成等优点，运用电压脉冲来实现对于自旋的调控，进一步提升了自旋电子元器件的整体性能，为新型磁电自旋器件的设计和研发打下了基础。该成果在外延多铁异质结中利用电子顺磁共振技术研究界面条件对自旋波共振模式的影响，通过电场对界面应变的调控实现了对自旋波共振模式以及自旋波变化的临界角的调控，并提出了新型的自旋-晶格耦合模型来解释电场调控自旋波的实验现象，为利用电场调控电子自旋的进一步研究提供了实验和理论依据。

该成果已在材料科学领域知名期刊Advanced Functional Materials上在线发表，题为“Modulation of Spin Dynamics via Voltage Control of Spin-Lattice Coupling in Multiferroics”，并被选为期刊封面文章。该文第一作者是西安交通大学电信学院博士生朱明敏，通讯作者为刘明教授、周子尧教授以及任巍教授。该工作得到中组部“青年千人”项目、国家自然科学基金面上及重点项目等支持。

文章链接：Modulation of Spin Dynamics via Voltage Control of Spin-Lattice Coupling in Multiferroics(Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605598)

西安交通大学刘明教授课题组链接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu

本文由西安交通大学电信学院朱明敏博士投稿，欧洲足球赛事 编辑晓fire编辑整理。