發(fā)布時間：2021-03-31 06:40

　　自旋是電子的內(nèi)稟物理屬性,也是實現(xiàn)信息存儲和數(shù)據(jù)處理最為重要的物理基元。傳統(tǒng)上,利用自旋磁矩的翻轉(zhuǎn)和進動來實現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲和信息交換,由于調(diào)控手段的非局域化特點和高能耗缺陷,已經(jīng)遠遠不能滿足未來對信息功能器件超快、低能耗和高密度集成的需求。自旋波,作為磁有序的低能集體激發(fā)態(tài),由于其GHz以上頻段的高頻性質(zhì)、微納米尺度的波長、和無焦爾發(fā)熱的傳播特性,成為了自旋信息存儲、運算和傳遞的理想載體。作為磁有序系統(tǒng)的無能隙集體激發(fā)態(tài),自旋波對應(yīng)于磁性系統(tǒng)中攜帶一個量子自旋角動量（h）的玻色性元激發(fā)準粒子—磁振子（magnon）。然而,對于磁振子的調(diào)控和攜帶信息的讀寫,由于其微小的量子化自旋角動量和傳播過程的指數(shù)阻尼衰減,效率和精確性成為了自旋波電子學(xué)未來應(yīng)用面臨的內(nèi)稟困難。在本文中,我們通過Aharanov-Casher效應(yīng)對交換自旋波引入軌道角動量（OAM）作為新的物理自由度來克服傳統(tǒng)自旋波電子學(xué)的潛在隱患。一方面,自旋波可以攜帶任意大小的軌道角動量,形成拓撲非平庸的渦旋自旋波（twisted magnon）激發(fā)態(tài);另一方面軌道角動量跟渦旋自旋波的拓撲核是緊密聯(lián)系在一起的,而拓撲核是內(nèi)稟的物理性質(zhì)... 

【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：118 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

傳統(tǒng)電子學(xué)、自旋電子學(xué)與磁振子電子學(xué)[9]

馕恢茫??鶇嘔?慷鵲慕???傭?詿盤逯屑し⒊鱟孕?╗8]；調(diào)參自旋波信號放大器可以從自旋系統(tǒng)的熱漲落中提取并放大自旋波信號[10][21]；在鐵磁/多鐵性異質(zhì)結(jié)中，存在可由電場調(diào)控的交換偏置場和各向異性場，能夠用于自旋波的激發(fā)[22][23]；以及所謂的自旋轉(zhuǎn)移力矩（spintransfertorque，STT）磁振子注入術(shù)[24–27]。需要指出的是，在這些方法中，能量的轉(zhuǎn)換率都是比較低的。自旋轉(zhuǎn)移力矩磁振子注入術(shù)能夠?qū)⒆孕ê途哂凶孕龢O化的直流電流直接耦合起來，從而將磁振子電學(xué)與基于電子的微電子學(xué)和自旋電子學(xué)結(jié)合到了一起。圖1.2自旋波（磁振子）的自旋轉(zhuǎn)移力矩激發(fā)[41]可以通過多種方法對磁性系統(tǒng)中的自旋波進行探測。這些方法主要有：傳統(tǒng)的微波感應(yīng)天線技術(shù)、時間分辨率磁光克爾效應(yīng)（time-resolvedmagneto-opticalkerreffect）[28]、時間分辨磁光法拉第效應(yīng)（time-resolvedmagneto-opticalfaradyeffect）[29]、布利淵散射譜（Brillouinlightscattering）[10][30]和自旋泵浦效應(yīng)（spinpumpingeffect）[31–35]。其中的磁光克爾效應(yīng)、磁光法拉第效應(yīng)和布利淵散射譜為光學(xué)方法。布利淵散射譜能夠為我們提供很寬頻率范圍和波矢范圍的自旋波的空間分布信息、頻譜以及相位信息[36–38]。除此之外，還可以用熱學(xué)方法對自旋波進行探測[39][40]。當在電路中運用磁振子器件時，我們就需要利用電流進行自旋波激發(fā)的方法。借助于微波技術(shù)，利用交變電流進行自旋波注入較為容易實現(xiàn)；然而，利用直流電流進行自旋波注入則要復(fù)雜的多。當自旋極化的電流（spin-polarizedcurrent）流經(jīng)鐵磁性薄膜時，將在薄膜內(nèi)產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩，從而使得薄膜的磁化強度發(fā)生重新取向或進動，在其內(nèi)產(chǎn)生自旋波[42–44]。為了產(chǎn)生自旋極化的電流，需要在電流注入鐵磁性薄膜之前，令?

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文渦旋磁振子的研究性且依賴于外加磁場的取向[24]。而在具有垂直磁化的坡莫合金薄膜中，同樣利用布利淵散射譜，證實了自旋轉(zhuǎn)移力矩納米振子所發(fā)射的徑向自旋波的磁振子自由程（magnonfreepath）與理論相一致（圖（1.2.a））[25]。圖1.3自旋波（磁振子）信號的電學(xué)信號轉(zhuǎn)換[41]利用自旋泵浦-逆自旋霍爾效應(yīng)機制不僅可以對偶極長波自旋波進行探測，還可以對短波長交換自旋波進行探測[34]。在納米磁振子器件中，短波長的交換自旋波相比于長波自旋波更具有價值。交換型磁振子的激發(fā)可以利用參數(shù)泵浦技術(shù)（parametricpumpingtech-nique）（圖（1.3.b）[10][21][34]）。通過改變外加偏置磁場，可以對磁振子能譜進行調(diào)節(jié)并改變自旋波波長，如圖（1.3.b）所示。圖（1.3.b）給出了不同外加偏置場下自旋波波長與相應(yīng)的逆霍爾效應(yīng)電壓，從中我們可以看出很寬波矢范圍內(nèi)的交換自旋波都參與了自旋泵浦-逆自旋霍爾效應(yīng)[34]。利用平行泵浦技術(shù)（parallelparametricpumpingtechnique）和垂直泵浦技術(shù)（perpendicularparametricpumpingtechnique）進一步地證明了自旋泵浦效應(yīng)的效率與參與的自旋波波長無關(guān)[69]。靜磁表面自旋波在磁體中的傳播具有非可逆的特點。如果外加偏置磁場的方向發(fā)生改變，那么自旋波的傳播方向也會被扭轉(zhuǎn)[18]。這就意味著，由靜磁表面自旋波參與的自旋泵浦-逆自旋霍爾效應(yīng)中，感生的逆自旋霍爾電壓與外加偏置磁場的方向有關(guān)[70]。圖（1.3.c）的裝置在實驗上證實了這一結(jié)論。還可以通過自旋霍爾效應(yīng)（spinHalleffect,SHE）產(chǎn)生具有自旋極化的電流。在存在強烈自旋軌道耦合（spin-orbitalcoupling）的半導(dǎo)體材料和非磁性材料中，電子自旋會因磁性散射而發(fā)生改變;當電流經(jīng)過具有垂直于其流向且處于面內(nèi)磁化狀態(tài)的薄膜時，會發(fā)生


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