物理学院 School of Physics, Nanjing University

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物理学院第 201808 期工作简报(2018-7-13)(院办)

2018年07月13日

南京大学物理学院工作简报

201809(总第280)

南京大学物理学院  2018-8-30


 

1PtPd中自旋霍尔角和自旋扩散长度的自洽测量

纯自旋流研究是当今自旋电子学中的一个重要研究热点。纯自旋流指的是自旋向上和自旋向下的电子朝相反的方向进行运动,或者电子不动,但自旋以波的形式向前传播所产生的自旋输运过程。由于在传输过程中不产生净电荷流和杂散磁场,自旋流能够以非常小的功耗传输信息,是新一代信息传输的重要载体。纯自旋流研究包括纯自旋流的产生、输运和检测。其中,自旋流的产生与检测均涉及到自旋流和电荷流之间的相互转换。理解自旋流和电荷流之间的相互转换,对于探索基于纯自旋流的新型低功耗器件应用、提高其效率及新型器件其与当前基于电荷流的技术的集成而言均是至关重要的。自旋霍尔角SH)和自旋扩散长度SD)是表征自旋流-电荷流转换的两个重要参数。因其重要性,近年来科学家们花了很大的努力去量化这些参数,其中不乏在PRLNature Physics上发表的重要文章。但是即使在同一种材料上,甚至采用同一种技术手段,不同的研究组给出的结果也不一致(如图1所示),在国际上产生了很大的争议。对这些参数的表征已成为国际公认的自旋电子学难题之一。


图1:文献当中报道的Pt(A)和Pd(B)的自旋霍尔角和自旋扩散长度分布。

图2:A:自旋泵浦效应实验构型。B:自旋流传输过程中的截面图。

物理学院丁海峰教授课题组、吴镝教授课题组与美国亚利桑那大学张署丰教授课题组、北师大袁喆教授课题组通力合作,提出了一种自洽的对自旋霍尔角和自旋扩散长度的表征方法。实验中采用表征材料自旋霍尔角和自旋扩散长度的常用手段自旋泵浦效应测量(图2A)。通过对称性分析,选用特殊的实验构型,该研究组将潜在的热信号、自旋整流效应等杂散信号等仔细一一排除,从而获得干净的纯自旋流转化的电荷流信号。研究组还通过微波光电阻测量信号的测量直接将每个样品的与自旋流强度直接相关的进动角表征出来,从而直接获得自旋流的强度。实验结果还发现泵浦的自旋电流在同过铁磁材料与非磁材料界面时将发生一定的损耗即界面自旋损耗(图2B),界面自旋损耗的大小因不同的界面而异。结合理论分析,研究组发现界面自旋损耗可以通过自旋流所转化成的电荷流及有效自旋混合电导二者随厚度的不同演化关系定量地表征出来,进而自洽地获得自旋霍尔角和自旋扩散长度。该实验选用最常用的且争议最大的两种强自旋轨道耦合材料PtPd开展研究,通过这两种金属与不同铁磁材料CoCoFePy(坡塻合金)的组合,得到的PtPd中自旋霍尔角和自旋扩散长度与所选用的与铁磁层材料无关(图3与图4),从而验证了的该方法的正确性与普适性。实验中还发现虽然Pd的自旋霍尔角比Pt小很多,但其与CoPy等材料结合时界面自旋流传输损耗几乎为0,从而解释了前人实验中得到Pd能够给出和Pt相似的自旋轨道矩实验结果。这也为自旋电子学器件设计提供了新的启示,以往人们的重点大都放在找寻大自旋霍尔角的材料,但其实通过界面调控也可以有效地提高器件的效率,并且其调控空间广阔。该项研究成果发表在Sci. Adv. 4, eaat1670 (2018)上,物理学院丁海峰教授课题组的博士生陶新德、刘奇和缪冰锋副教授是该文共同第一作者,丁海峰教授和吴镝教授是共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助。


图3:A-C分别为Co(20 nm)/Pt(t),Py(20 nm)/Pt(t), 和CoFe(13 nm)/Pt(t)样品中Pt厚度依赖的有效自旋混合电导。D-F为相应样品的归一化自旋泵浦电压信号随厚度的演化。通过二者的拟合可以获得自旋霍尔角和自旋扩散长度,研究表面在三种不同的体系中获得的Pt自旋霍尔角和自旋扩散长度在误差范围内完全一致,与铁磁材料的选取无关。

图4:A-C分别为Co(16 nm)/Pd(t),Py(16 nm)/Pd(t), 和CoFe(16 nm)/Pd(t)样品中Pd厚度依赖的有效自旋混合电导。D-F为相应样品的归一化自旋泵浦电压信号随厚度的演化。通过二者的拟合可以获得自旋霍尔角和自旋扩散长度,研究表面在三种不同的体系中获得的Pd自旋霍尔角和自旋扩散长度在误差范围内完全一致,与铁磁材料的选取无关。

(孙亮供稿)

 

2、杜军教授课题组在电控磁方面取得重要进展——基于电阻开关效应在室温下实现全电场控制交换偏置

自旋电子学是一门交叉学科,其核心内容是通过调控固态系统中电子的自旋自由度,将标准的微电子技术与自旋相关效应有机结合在一起,为研制新一代高性能电子器件提供机会。值得一提的是,与当今已广泛应用的金属-氧化物-半导体电子器件相比,电压(或电场)调控的自旋电子器件具有能耗低、处理速度快、集成度高及功能多等优势,近年来在信息技术领域引起了人们的普遍关注。然而,由于在一般材料中磁化强度和电场之间缺乏足够强的直接耦合作用,因此电调控自旋电子学一直未能取得重要进展。交换偏置是由于铁磁-反铁磁体系界面处存在直接耦合作用而产生的特性,虽然迄今为止其内在机制尚未被彻底揭示,但是目前该效应已广泛应用于多种磁电子器件,如计算机的读出磁头和各种磁传感器等。而完全通过电来控制交换偏置可以在电控磁方面提供新的思路,为实现高能效的自旋电子器件提供极有可能实现的途径。尽管在过去的近十年中,人们尝试利用多种方法在多种材料和器件中研究电控交换偏置效应,但每种方法都存在一定程度的制约,因此目前室温下还不能完全实现直接的电控交换偏置。

南京大学物理学院杜军教授课题组最近提出了一种结合电阻开关效应的新方法,室温下在Si/SiO2/Pt/Co/NiO/Pt器件中实现了可逆的、非易失的电控交换偏置。通过施加适当的电压,器件处于高电阻态并表现出明显的交换偏置,而器件处于低电阻态时交换偏置效应显著减弱甚至消失。通过非常细致的微结构表征,他们发现在NiO层中形成的导电细丝及其在Co-NiO界面附近的断裂是导致器件电阻在高、低阻态间可逆转换和交换偏置效应产生可逆变化的根本原因。与前人研究的电控交换偏置相比,本器件在许多方面具有明显的优点。首先,由于NiO材料具有较高的奈尔温度(~ 525 K),因此电控交换偏置可以在室温或更高的温度下实现;其次,NiO是一种非常典型的、教科书式的单极性电阻开关材料,在金属/NiO/金属三明治结构中具有电阻值显著不同的高、低阻态,开关比能轻易达到甚至超过105,从而使器件具有很强的可靠性和稳定性;第三,构成该器件的多层膜可以在室温下通过工业界普通使用的磁控溅射镀膜手段获得,且不需要后期的磁场或电场冷却处理;第四,构成该器件的多层膜可以直接生长在硅衬底上,与目前的硅基平面工艺具有良好的兼容性;最后,此器件的电控交换偏置在室温下是可逆的、可重复的和非易失性的。总之,该工作为设计新型非易失磁电随机存储器(MERAM)提供了一个新的思路。


图 1. 电性、磁光测量示意图和XPS谱线。(a) Si/SiO2/Pt/Co/NiO(1)/NiO(2)/Pt器件的I-V 曲线(左上图)和移除Pt顶电极后FMOKE(左下图)测量的结构示意图;(b) 两层NiO薄膜即NiO(1) (右上图) 和 NiO(2) (右下图)的XPS 测量结果。

图2. 电场调控的交换偏置效应。(a) FMOKE测量时激光光斑打在样品上不同位置时的示意图,L、O、H分别表示低阻态、原始态和高阻态,Q表示跨越低阻态和原始态的组合态;(b), (c)和(d)分别是激光光斑打在O、H/L、Q位置用FMOKE测得的磁滞回线,(b)图中的插图是Pt(50 nm)/Co(6 nm)/Pt(50 nm)薄膜样品的磁滞回线。

该工作于2018611日在线发表于Advanced Materials Adv. Mater. 2018, 1801885】,论文第一作者为南京大学物理学院2016级博士研究生魏陆军,南京大学为第一单位,南京大学物理学院杜军教授和南京邮电大学通信与信息工程学院杜关祥教授为本文的共同通讯作者。南京大学物理学院游彪副教授在样品制备方面提供了悉心的指导、南京邮电大学杜关祥教授课题组提供了聚焦磁光克尔效应仪(NanoMOKE3)用于测量样品的静磁性质、东北大学胡勇教授课题组提供了理论模拟计算、悉尼大学郑荣坤教授课题组在高分辨电镜表征方面提供了大力支持。此外,该工作的设计和实施还得到了同济大学物理系周仕明教授的热心指导。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目和面上项目等基金的资助。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201801885

魏陆军供稿

 

3ATLAS实验首次发现Higgs粒子最主要的衰变过程南京大学ATLAS实验团队做出重要贡献

79日在韩国首尔举行的国际高能物理大会(ICHEP)上,运行在欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHCATLAS实验宣布发现Higgs粒子衰变到底夸克对过程。观测到的信号显著性为5.4倍标准偏差,即统计学上该信号是由本底噪声导致的概率小于千万分之一。这是世界上首次观测到的Higgs粒子衰变到底夸克对过程,是2012年发现Higgs粒子以来,LHC实验最重要的物理成果之一。南京大学ATLAS实验团队在这一重大成果中做出重要直接贡献。

希格斯粒子决定了构成自然界的基本粒子最重要的属性质量。因此希格斯粒子也被称“上帝粒子”。不同于电磁、弱、强和引力这四种自然界常见的基本相互作用力,Higgs粒子与夸克等费米子的相互作用力被称为汤川耦合(Yukawa coupling),是一种全新的基本相互作用力。理论计算表明,希格斯粒子衰变到底夸克对(H→bb)占希格斯粒子总衰变约60%,是希格斯粒子最主要的衰变过程。寻找和测量H→bb过程,对于理解希格斯粒子与费米子的汤川耦合,以及约束和测量希格斯粒子性质至关重要。然而2012年在玻色子末态发现希格斯粒子后的数年时间内,H→bb过程一直未被观测到。其原因在于,大型强子对撞机上含有底夸克对的本底过程非常高,是信号的一千万倍。在如此巨大的本底噪声中找出信号是一项极具挑战性的任务。

2011年,南京大学陈申见教授课题组和台北中央研究院联合开展了H→bb研究,是最早参与H→bb研究的中国团队。张雷教授在2011年于台北中研院做博士后期间开始参与H→bb的研究,作为ATLAS实验H→bb分析的核心成员,曾担任发表论文的通讯撰稿人(Contact Editor),底夸克鉴别的负责人(Contact),并代表分析团队在全合作组范围内做“批准 (Approval) ”报告。期间,张雷协助指导陈申见教授课题组与台北中研院联合培养的博士生王超和王蔚。王超和王蔚同学分别从2012年和2014年开始参与ATLAS实验H→bb的研究,参加了实验精度最高的“Higgs 协同Z粒子产生(Z粒子衰变到中微子)”子反应道的研究,负责了信号选择条件优化,本底估计,系统误差分析等工作。王蔚同学还曾担任内部支持文档的撰稿人(Supporting note Editor)

2011年至今,历时七年多,实验结果的信号显著性从刚开始不到0.5倍标准偏差提高到现在5.4倍标准偏差。下图展示的是不同时期ATLAS实验得到的H→bb研究结果,其中红色直方图为Higgs粒子衰变到底夸克对的信号。


图一

图二

图三

图四
图:底夸克对不变质量谱。黑点为扣除本底后的实验数据点,红色直方图是 H→bb 信号,灰色直方图是 Z→bb 过程。图一为2011年实验数据结果,图二为2012年实验数据结果,图三为2015-2016年数据结果,图四为2015-2017年实验数据结果。(图片来自: ATLAS 合作组/CERN)
 

本课题的工作得到国家自然科学基金重大国际合作与交流项目、基本粒子与相互作用协同创新中心、中国科学院卓越创新中心的资助。

在学校和物理学院领导的大力支持下,南京大学粒子物理实验团队于2017年以来得到快速发展。参加ATLAS实验的在职教师人数从1人增加到4人,并已从国内外各招聘了两名博士后,团队研究实力显著增强。2018年,新引进的金山教授主持,南京大学牵头承担了“ATLAS实验Run-2数据物理分析”国家重点研发项目,参加单位包括全体ATLAS中国组6个单位(包括南京大学、中科院高能所、中国科技大学、山东大学、上海交大和清华大学)。南京大学粒子物理实验团队将在ATLAS实验的Higgs粒子性质测量和超出标准模型的新物理寻找等粒子物理前沿热点研究中取得更多重要物理成果。

相关链接

ATLAS合作组正式论文:

https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2018-036/

https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2016-29/

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2013-23/

ATLAS简报:http://atlas.cern/updates/physics-briefing/higgs-observed-decaying-b-quarks

(张雷供稿)

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