逆自旋霍尔效应

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1、域代码已更改金属薄膜中的逆自旋霍尔效应域代码已更改域代码已更改†毛奇赵宏武（中国科学院物理研究所，固态量子信息与计算实验室北京100190）摘要自旋流的产生和测量是自旋电子学面临的重大挑战。逆自旋霍尔效应提供了对自旋流进行电学测量的有效手段。本文总结了近年来人们对金属薄膜中的逆自旋霍尔效应的研究，从非局域电、铁磁共振、声波共振和圆偏振光注入这四种不同的自旋流注入方式来介绍逆自旋霍尔效应的物理机制、实现方式和影响因素。关键词自旋电子学，逆自旋霍尔效应，铁磁共振，圆偏振光，非局域电注入，声波共振InverseSpinHalleffectinmetallicthinf

2、ilmsMaoQiZHAOHong-Wu†(LaboratoryofSolidStateQuantumInformationandQuantumComputation,InstituteofPhysics,ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)AbstractThegenerationanddetectionofspincurrentdefinethemainchallengesofthespinspintronics.InversespinHalleffectcanbeusedasaneffectiveele

3、ctricalmeasurementforspincurrentinmetallic†通讯联系人.Email:hwzhao@iphy.ac.cnsystem.Inthispaper,investigationsofinverseHalleffectinrecentyearsarereviewedbythreedifferentspinpumpingtechniques,thatis,nonlocalelectrical,ferromagneticresonance,soundwaveandopticalinjection.Keywordsspintronics,

4、inversespinHalleffect,spinpumpinginferromagneticresonance,polarizedopticalspinpumping,nonlocalelectricalspinpumping,soundwaveresonance引言自旋电子学的发展使得基于电子自旋的信息处理和存储器件成为可能，其中关[1]键技术之一是自旋流的产生和探测。上个世纪70年代，Dyakonov和Perel从理论上预言了自旋霍尔效应(SpinHallEffect,SHE)的存在，即自旋流可以在垂直于电荷[2]流和自旋极化方向上产生。Hirsch提出

5、了一个在金属薄膜中观测SHE的方案，[3][4][5]Zhang、Murakami、Sinova等人分别提出了在半导体材料中观察SHE的方案。[6][7]随后Kato和Wunderlich分别用磁光Kerr效应和自旋发光二极管(spinlight-emittingdiode)在半导体中观察到SHE。半导体中电子自旋的扩散距离λsf较长(~1μm)，因此可以用光学手段进行探测。而在金属中，由于强烈的自旋轨道耦合作用，电子自旋的扩散距离λsf很短(~10nm)，传统的光学手段难以奏效。近年来人们在金属薄膜中观察到一种新的逆自旋霍尔效应(InverseSpinHall

6、Effect,ISHE)，通过[8]将自旋流转化为电荷流，实现了对自旋流的电学测量。目前，ISHE已经在Al，[9][10]Au和Pt等金属薄膜中观察到，并成为自旋电子学研究的新热点。在ISHE中，自旋相反的电子由于自旋轨道耦合，向垂直于自旋流Js的方向偏转(图1图1)。Js的方向、电子自旋方向和偏转方向满足右手定则。自旋电子的定向移动可以产生电荷流，这些电荷在薄膜一端积累，就形成了一个垂直于自旋流Js和其自旋极化矢量的电场EISHE，它们之间的关系可以表示为：域代码已更改(1)D为自旋霍尔系数。因此，通过测量EISHE，我们就可以知道自旋流的大小和方ISH

7、E向。在实验中，通常通过改变磁场方向来验证是否存在ISHE。图1ISHE示意图，电荷在垂直于Js的方向上积累，形成电势差本文将按照产生自旋流的四种不同方式，即非局域电注入、铁磁共振、声波共振和圆偏振光注入，来介绍金属薄膜中ISHE的物理机制、实现方式和影响因素。非局域电注入ISHE在铁磁性/顺磁性金属薄膜中，电子流经铁磁层时，其自旋会产生极化，并通过界面注入到顺磁性金属中，即Js的注入，并在薄膜垂直于Js和方向的两端产生EISHE。非局域电注入是指测量EISHE的位置距离自旋流注入的地点较远。金属线中EISHE的测量[8]Valenzuela等人早期在CoFe

8、/Al2O3/Al结构中