【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】磁性阻尼是自旋動力學(xué)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(chǔ)研究和自旋電子學(xué)器件的設(shè)計至關(guān)重要。內(nèi)稟阻尼因子與自旋-軌道耦合強(qiáng)度、費米面處的態(tài)密度以及動量散射時間有關(guān)。而在鐵磁/非磁材料異質(zhì)結(jié)的體系中，拓?fù)浣^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(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)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(xué)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(gòu)，其體Rashba系數(shù)可至~4.8eVÅ,對應(yīng)的自旋劈裂能高達(dá)~2300KBT,隨著薄膜厚度的降低，建立了體Rashba系數(shù)與厚度的標(biāo)度律，解釋其中Rashba效應(yīng)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(shù)，在α-GeTe中探測到可達(dá)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(dǎo)體α-GeTe的表面態(tài)對相鄰鐵磁層的自旋動力學(xué)影響尚不清楚。
 

　　最近，他們再次與中山大學(xué)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(shù)，對摻雜體系的阻尼因子進(jìn)行探索(測試構(gòu)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(yù)計自旋泵浦效應(yīng)會導(dǎo)致磁阻尼因子隨著Bi摻雜的增大而減小。與預(yù)測相反，他們發(fā)現(xiàn)體系的阻尼因子在摻雜Bi為3at%時達(dá)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(qiáng)烈雜化，使得阻尼因子大幅度增強(qiáng)，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(dǎo)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(gòu)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(guān)工作發(fā)表在Advanced Science 2411798，2024。楊旭和中山大學(xué)李家萬為論文的第一作者，成昭華和中山大學(xué)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(xué)基金和中國科學(xué)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(guān)系；(j)理論計算的阻尼因子與雜化能帶的態(tài)密度。