《PRB》重磅：自旋電流探測(cè)手性螺旋磁體的自旋相位

在凝聚態(tài)物理學(xué)和自旋電子學(xué)的前沿領(lǐng)域，對(duì)手性磁體的研究正日益受到關(guān)注。這類材料，特別是手性螺旋磁體，以其獨(dú)特的、由晶體結(jié)構(gòu)手性所確定的螺旋自旋排列而聞名。這些螺旋結(jié)構(gòu)不僅僅是磁矩的簡(jiǎn)單重復(fù)，它們內(nèi)部蘊(yùn)含著兩個(gè)關(guān)鍵的、可作為信息載體的自由度：手性和自旋相位。

最近，一篇發(fā)表在PRB具有開(kāi)創(chuàng)性的論文成功地展示了如何利用自旋電流這一自旋電子學(xué)工具，在納米尺度上對(duì)這種磁結(jié)構(gòu)中更為微妙的自由度——自旋相位——進(jìn)行電學(xué)檢測(cè)。這一突破性的成果不僅加深了我們對(duì)復(fù)雜磁序的理解，更重要的是，它為基于手性磁體的下一代高密度、低功耗自旋電子學(xué)器件奠定了基礎(chǔ)。

一、 手性螺旋磁體中的基本自由度

手性螺旋磁體，例如經(jīng)典的CrNb?S?，其磁矩沿特定晶軸（通常是c軸）呈現(xiàn)螺旋狀排列。這種結(jié)構(gòu)是由Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用與鐵磁交換相互作用競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生的。

• 手性：指的是磁矩螺旋旋轉(zhuǎn)的方向，可以是左旋或右旋。在非中心對(duì)稱晶體（即手性晶體）中，這種手性通常被晶格鎖定，表現(xiàn)得非常穩(wěn)定和魯棒。
• 自旋相位： 定義了螺旋結(jié)構(gòu)中磁矩排列的起始角度或起始位置。想象一個(gè)螺旋，自旋相位就是沿著螺旋軸線，你開(kāi)始觀察的那個(gè)點(diǎn)的磁矩方向。雖然手性是固定的，但自旋相位在外界磁場(chǎng)或電流的作用下可以連續(xù)變化，或被固定在材料表面。

在傳統(tǒng)的鐵磁體中，信息僅存儲(chǔ)于平均磁化強(qiáng)度或磁疇壁的位置。手性螺旋磁體則提供了額外的內(nèi)部自由度——手性和自旋相位。如果能夠可靠地進(jìn)行電學(xué)檢測(cè)和操控，這些自由度就可以用于編碼信息，從而開(kāi)發(fā)出新型的自旋相記憶或拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)器件（如手性孤子晶格）。

二、 自旋電流：一種納米級(jí)敏感探測(cè)器

實(shí)現(xiàn)自旋相位檢測(cè)的關(guān)鍵在于利用自旋電流的獨(dú)特性質(zhì)。自旋電流是自旋角動(dòng)量的流動(dòng)，而沒(méi)有凈電荷的傳輸（純自旋電流）。

• 表面敏感性：在大多數(shù)磁性材料中，注入的自旋電流具有一個(gè)非常短的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度（λs），通常只有幾到幾十納米。這意味著自旋電流在材料內(nèi)部快速衰減，因此它主要與材料表面的磁矩發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。
• 相位相對(duì)應(yīng)：在納米級(jí)的手性螺旋磁體薄膜或薄片中，由于螺旋周期（Pitch, L?）往往大于材料厚度或接近其厚度，材料表面的磁矩方向不再是隨機(jī)的，而是直接由整體螺旋結(jié)構(gòu)的自旋相位所決定。
• 探測(cè)機(jī)制：通過(guò)將自旋電流注入到螺旋磁體的表面，并測(cè)量由此產(chǎn)生的電學(xué)響應(yīng)，實(shí)際上就是在探測(cè)表面磁矩的方向。由于表面磁矩方向與自旋相位直接相關(guān)，電學(xué)信號(hào)的變化就可以被解讀為自旋相位的變化。

三、 利用非局域自旋閥 (NLSV) 進(jìn)行檢測(cè)

該論文實(shí)驗(yàn)性的突破在于采用了非局域自旋閥（Nonlocal Spin Valve, NLSV）的測(cè)量幾何結(jié)構(gòu)。

1.器件結(jié)構(gòu)：典型的NLSV結(jié)構(gòu)包括一個(gè)非磁性導(dǎo)電通道（如銅Cu），以及兩個(gè)磁性電極。在該研究中，一個(gè)電極是手性螺旋磁體（如CrNb?S?），另一個(gè)可以是鐵磁體（如坡莫合金Py）作為自旋注入/檢測(cè)器。

2.工作原理：

• 自旋注入：通過(guò)在一個(gè)Py/Cu界面施加電流，利用自旋霍爾效應(yīng)（Spin Hall Effect, SHE）或直接注入自旋極化電流，在Cu通道中產(chǎn)生純自旋電流。
• 自旋傳輸：純自旋電流沿著Cu$通道擴(kuò)散，并在到達(dá)CrNb?S?（螺旋磁體）表面時(shí)，與那里的表面磁矩發(fā)生相互作用。
• 自旋檢測(cè)：相互作用的結(jié)果（如自旋吸收或反射）改變了CrNb?S?電極處的自旋積累，從而通過(guò)逆自旋霍爾效應(yīng)或另一種形式的自旋依賴電阻產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的非局域電壓（VNL）。

3.相位-信號(hào)關(guān)聯(lián)：VNL信號(hào)的強(qiáng)度直接依賴于注入自旋電流的極化方向與CrNb?S?表面磁矩方向之間的相對(duì)角度。通過(guò)施加外部磁場(chǎng)來(lái)連續(xù)改變螺旋磁體表面的磁矩方向（即改變自旋相位），研究人員觀察到VNL信號(hào)出現(xiàn)與磁矩變化相對(duì)應(yīng)的特征磁場(chǎng)依賴性。

四、 理論支持與前景展望

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與微磁模擬高度吻合，后者精確預(yù)測(cè)了在施加磁場(chǎng)時(shí)，CrNb?S?中螺旋結(jié)構(gòu)如何演化成手性孤子晶格（Chiral Soliton Lattice, CSL），以及這種演化如何導(dǎo)致表面磁矩方向的連續(xù)變化。這種理論與實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性，有力地確認(rèn)了“自旋電流可用于電學(xué)檢測(cè)自旋相位”這一核心結(jié)論。

這一研究的意義遠(yuǎn)超單一的檢測(cè)方法：

• 推動(dòng)自旋電子學(xué)邊界：它將自旋電子學(xué)中可利用的自由度從傳統(tǒng)的電荷和平均磁化強(qiáng)度擴(kuò)展到了更精細(xì)、更內(nèi)在的自旋相位，為信息存儲(chǔ)和處理提供了一個(gè)全新的維度。
• 納米器件的基礎(chǔ)：螺旋磁體的周期L?通常在幾十到幾百納米，這使其非常適合下一代納米器件。利用自旋電流的短擴(kuò)散長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的檢測(cè)，是構(gòu)建基于相位編碼的超高密度存儲(chǔ)器的關(guān)鍵一步。
• 研究手性動(dòng)力學(xué)：除了自旋相位，結(jié)合逆自旋霍爾效應(yīng)等其他自旋流技術(shù)，還可以深入研究手性磁體中的自旋漲落和手性自旋動(dòng)力學(xué)，這對(duì)于理解和利用這些材料的動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。

總結(jié)

手性螺旋磁體中自旋電流對(duì)自旋相位的檢測(cè)，標(biāo)志著自旋電子學(xué)研究從宏觀磁化轉(zhuǎn)向微觀、內(nèi)在自由度的重要飛躍。通過(guò)巧妙地利用自旋電流的表面敏感性，研究人員成功地將手性螺旋磁體中最微妙的內(nèi)部自由度——自旋相位，轉(zhuǎn)化為了可測(cè)量的電信號(hào)。這項(xiàng)工作不僅為未來(lái)基于自旋相位的非易失性存儲(chǔ)器和邏輯器件開(kāi)辟了道路，也為凝聚態(tài)物理學(xué)家提供了一個(gè)強(qiáng)大的新工具，用以深入探索和操控復(fù)雜磁性材料中的內(nèi)在自旋結(jié)構(gòu)。