橫向受限對自旋閥納米結構巨磁阻與自旋轉移矩的影響

《橫向受限對自旋閥納米結構巨磁阻與自旋轉移矩的影響》是依託北京工商大學，由朱耀輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：橫向受限對自旋閥納米結構巨磁阻與自旋轉移矩的影響
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：朱耀輝
• 依託單位：北京工商大學

項目摘要

電流流向垂直於膜面的自旋閥是一種非常重要的自旋電子器件結構形式。最近的一系列實驗結果表明，當自旋閥納米結構的橫向（垂直於電流方向）尺寸與電子平均自由程相當時，電子與側面的散射對巨磁阻和自旋轉移矩會產生重要影響，特別是，當電子在側面上的自旋反轉散射比較可觀時。但是，相應的理論研究比較滯後。針對這一問題，本項目擬從Boltzmann輸運方程出發建立一套運動學層面上的理論方法用以研究自旋閥納米結構的尺寸對巨磁阻和自旋轉移矩的影響。理論和實驗都表明，Boltzmann輸運方程是研究此類系統中尺寸效應的最簡單的微觀方法。儘管如此，對於待研究的問題，Boltzmann方程不存在解析解，因此，本項目的一個關鍵任務就是對Boltzmann方程和Poisson方程進行自洽數值求解。本項目的另外一個關鍵研究內容就是，運用擬建立的新方法為最近出現的一系列實驗結果提供理論解釋，並驗證理論的正確性。

結題摘要

近年來，自旋電子學領域不斷湧現出新的研究熱點，其中，自旋熱電子學、磁阻抗與低維材料自旋輸運等引起了廣大研究人員的興趣。本項目組圍繞電流垂直於膜面的自旋閥結構，著重研究了橫向受限對自旋輸運的影響、自旋積累電容及磁阻抗、熱產生機制與如何用有效電阻合理描述熱產生等問題。所得重要結果主要包括三個方面。第一，我們引入一個新概念：自旋積累電容。Rashba引入擴散電容解釋磁阻抗，並在推導中使用了電荷準中性近似；表面上看，這一近似與通常伴隨電容存在的電荷積累相矛盾。同時，Rashba沒有指出擴散電容的能量儲存形式，不能解釋電容的來源。為此，我們引入自旋積累電容模型：自旋積累表現為一個自旋通道的電子過剩和另外一個的等量虧缺，可以看作電容器的兩個極板。進而，我們推導出了自旋積累電容的表達式，證明它是電荷積累只出現在自旋自由度上的一種量子電容，能量存儲於化學勢的劈裂之中，可以解決Rashba理論中的問題。它對態密度較低的材料，如二維材料，尤為重要。第二，我們找到另外一種自旋相關的熱產生機制：自旋擴散。我們首先找到兩對沒有交叉效應的廣義流與力，它們各自的乘積對應兩種不同的熱產生；其中一種是自旋擴散產生的熱，它獨立於大家熟知的自旋弛豫機制。對自旋閥來說，在半無限層中，自旋弛豫和自旋擴散的熱產生相等；在有限厚度的層中，自旋弛豫和自旋擴散分別在反平行和平行磁化時主導熱產生。第三，我們引入新的有效電阻替代傳統的自旋耦合界面電阻。我們的結果表明，自旋耦合介面電阻可能取負值，而且只有在一些特殊的區間內，它的“焦耳熱”才等於對應的自旋相關熱產生。自旋耦合介面電阻“焦耳熱”的真正含義是鐵磁層和介面處的額外能量供給，且只有部分轉化為局域的熱產生，其餘流入其他層。因此，我們引入新的有效電阻替代自旋耦合介面電阻，以正確描述自旋相關的熱產生。我們的結果有助於其他研究人員理解熱產生過程，並指出調控各層熱產生的可能途徑。