자기 절연체에 의한 자기 밸브 효과
후기 무어 시대의 정보 저장 및 논리 동작에 대한 요구에 부응하여, 스핀 트로닉 장치는 셀 크기가 작고, 비 휘발성이며, 저전력 소모 및 고속 인 차세대 마이크로 전자 장치 개발에 유망한 개발 방향을 제시합니다. 그 중 스핀 밸브는 다양한 유형의 스핀 트로닉 장치의 핵심 단위입니다. 스핀 밸브는 일반적으로 2 개의 강자성 층 사이의 스핀 분극 전자에 의해 강자성 금속과 비자 성 중간층의 2 개의 층으로 구성된 샌드위치 코어 구조를 포함한다. 따라서, 장치의 저항은 2 개의 강자성 층의 상대적인 배향에 의해 조절된다. 스핀 밸브 기반 상온 거대 자기 저항 (GMR, 1988) 및 실내 온도 터널링 자기 저항 (TMR, 1995) 장치는 자기 밀도가 높은 정보 저장 및 자기 하드 디스크, 자기 랜덤 액세스 메모리, 및 자기 센서. 이 기사에서는 프랑스의 A. Fert와 독일의 P. Grünberg의 과학자 두 명이 GMR (거대 자기 저항) 효과를 발견 한 2007 노벨 물리학상을 수상했습니다.
스핀 웨이브는 자기 시스템에서 스핀 세차 과정의 집단적 여기 상태입니다. 양자화 된 준 입자는 마그네 톤 (magnetons)이라고하며, 각 마그네 톤은 플랑크 상수 스핀 각운동량을 전달합니다. 전통적인 금속의 스핀 편극 전도 전자와 비교할 때, 스핀파 기반 마그네 톤은 다음과 같은 이점을 가지고 있습니다 : (1) 마그네 톤의 이동은 열 손실이없고 낮은 댐핑 특성을 가지고 장거리에서 회전합니다. 정보의 보급에는 상당한 이점이 있습니다. (2) 마그네 톤의 변동 특성은 진폭 및 위상 특성을 모두 가지기 때문에 전통적인 폰 노이만 시스템의 논리 및 계산 아키텍처를 깨뜨릴 수 있으며 무어 시대의 정보 전송이 될 수 있습니다. 중요한 처리 방법 중 하나는 다음과 같습니다. (3) 자성에 기초한 초 유체, 초전도, Bose-Einstein 응축 물, 조셉슨과 같은 거시 양자 효과는 또한 응축 물질 물리에서 뜨거운 지점이되었다. 자기 스핀 트로닉스의 연구에서 마이크로파는 가장 일반적으로 사용되는 여기 및 검출 방법입니다. 그러나, 마이크로파 장치의 크기는 소형화를 달성하기가 어렵다. 따라서, 반도체 스케일 집적 회로에 자기 적 스핀 소자를 적용하기 위해서는, 전기적 방법에 기초한 자화 스핀 여기, 변조 및 검출 방법을 개발할 필요가있다.
2012 년부터 2016 년까지 중국 과학 아카데미 국립 물리 연구소 (National Institute of Physics)의 국가 핵심 연구실 (National Key Laboratory of Magnetics) / 중축 물 물리학의 국립 중앙 연구소 (National Center of Magnetics) 인 Han Xiufeng이 이끄는 연구팀은 마그네트론 스퍼터링 기술을 사용하여, 일련의 샘플을 통과시키는 고온 열처리 공정. 준비 및 최적화는 YIG가 단결정 GGG 기판에서만 준비 될 수 있다는 한계를 극복합니다. Pt / YIG / Pt 중금속 / 자성 절연체 / 중금속 (HM / MI)은 Si-SiO2 기판 위에 설계되고 준비되었다. / HM) 층 구조를 가진 헤테로 구조를 만들었으며 애리조나 대학의 Zhang Yifeng 교수 팀에 의해 구조상 처음 관측 된 자기 드래그 효과는 이론에 의해 예측되었다. 즉 자기장의 자극과 전달 때문이다. YIG, Pt 층의 한면 충전 / 스핀 흐름은 다른 쪽 Pt 층에서 반대 전하 / 스핀 흐름을 끌 수 있습니다. 이 연구는 자성 절연체가 자석 스핀의 전송 채널 역할을 할 수 있음을 확인합니다.
최근 Han Xiufeng 연구팀은 혁신적으로 YIG 자기 절연체를 자기 전극으로, Au를 중간층으로, 그리고 헤테로 에피 텍셜 성장을 GGG 기판에 채택하여 고품질의 YIG / Au / YIG 소설 자성 절연체 / 금속 / 자성 절연체 (MI / NM / MI) - 자기 밸브 구조 및이 구조에서 첫 번째 관찰 및 발견 된 Magnon Valve 효과, 즉 두 개의 자기 절연 층의 상대적인 자화 방향의 방향을 제어 할 수 있습니다 자속 크기. 첫째, 반 평행 상대 자화 배향을 얻기 위해 상이한 보자력을 생성하기 위해 YIG의 두 층의 결정 구조를 미세 조정했다. 국소적인 전류 가열 방법을 사용하여 온도 구배를 생성하고, 세로 스핀 시벡 (Seebeck) 효과를 사용하여 YIG를 자극 하였다. 마그네틱 서브 밸브의 마그네틱 서브 스트림을 통한 자속은 스핀 방지 홀 효과를 통해 전기 측정을 실현할 수있다 Pt; 그 다음 자기 서브 밸브 효과를 발견한다. 즉, 2 층 YIG의 상대 배향은 자기 밸브의 자기 유체 역학 자속 크기를 통해 제어 될 수 있으며, 여기서 평면 및 반대 자기장의 상대 자기 밸브 비율 (MVR) 실온에서의 평행 상태는 19 %에 이른다. 자기 밸브 비의 비율은 주로 자기 절연체에 의존 함을 알 수있다. / 금속 계면에서 마그네트론 - 전자 스핀의 변환 효율의 온도 의존성은 이론적 인 계산 결과와 일치한다. Au의 스핀 확산은 자기 서브 밸브와 Au 두께의 비율의 의존성을 피팅함으로써 얻어진다. 길이는 스핀 펌프 방법에 의해 얻어진 결과와 일치하는 15.1 nm이다 [Hao Wu and XF Han et al., Phys. Lett. 120 (2018) 097205, DOI : https://doi.org/10.11 03 / PhysRevLett.120.097205, 편집자 추천 및 물리학 특집].
이 연구에 의해 준비된 새로운 자기 절연체 / 중간층 / 자기 절연체 (MI / NM / MI) 자기 밸브 구조 인 YIG / Au / YIG는 그 자체가 스핀 정보 전달 및 논리 연산이다. 기본 자성 코어 셀 장치는 자성 서브 스트림 회로, 논리, 저장 장치, 다이오드, 트랜지스터, 도파관 및 스위치를 기반으로하는 자성 하위 장치의 향후 연구 및 개발을위한 재료 및 물리적 기반이기도합니다. 그것은 자기 절연체의 스핀 정보 캐리어와 같은 자기 절연체를 가진 새로운 종류의 스핀 트로닉스 코어 디바이스가 중요한 응용 가능성을 가지고 있으며, 재료, 물리학 및 디바이스의 돌파구가 잠재적으로 저에너지, 재기록을 가속화 할 것이라는 것을 보여줍니다. 휘발성 및 고주파 컴퓨터 시리즈 핵심 장치. 그리고이 마그네틱 밸브 구조는 기존의 대규모 집적 회로 공정과 조화를 이룰 수 있으며, 이는 미래의 통합 된 집적 및 자성 디바이스, 스핀 트로닉 디바이스 및 반도체 마이크로 전자 디바이스의 광범위한 활용에 기여합니다.
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