客户成果丨新加坡国立大学《Nat. Commun.》：反铁磁α-Fe2O3中亚太赫兹磁振子的自旋轨道转矩操控

电场调控反铁磁磁振子的“0/1”状态是自旋电子器件的运行速度提升到太赫兹频段至关重要的一条路径，在当前仍然是一个重大的挑战。目前，利用传统方法去调控反铁磁具有非常大挑战，例如磁场，其很难扰动反铁磁的磁性。而今，愈来愈多的关于自旋轨道矩的研究发展，为电场调控反铁磁磁序成为了一种可能，但少有相关实验报道。

新加坡国立大学Yang Hyunsoo课题组阳东升博士在最近的发表的文章中展示了亚太赫兹磁振子在α-Fe2O3 / Pt反铁磁异质结中的电学调控。通过时间分辨磁光技术检测发现，在异质结构中施加自旋轨道力矩，可以调控α-Fe2O3中的磁振子色散，以及降低α-Fe2O3中磁振子频率。文章发现，当Néel矢量垂直于注入的自旋极化时，会发生最佳调谐。此项研究结果为电可调太赫兹自旋电子器件的发展迈出了重要一步。

在器件制备之前，研究人员使用丙酮、异丙醇( IPA )和去离子水( DI )清洗α-Fe2O3样品表面。然后，通过托托科技的TTT-07-UV Litho-ACA 无掩膜版紫外光刻机(最小线宽: 0.8 μm)，对样品进行图案化，沟道宽度为4 μm，长为 8 μm，制备好的样品将用于后续的金属沉积(图1d)。

图1 | α-Fe2O3样品的材料表征。在Morin温度TM = 261 K以上，(a) α-Fe2O3的晶体和(b) 磁结构。其中，m，l，m1和m2分别表示倾斜磁矩、Néel矢量、第一和第二子晶格磁矩。(c) α-Fe2O3样品的X射线衍射( XRD )测试。39.2°处的峰与α-Fe2O3 ( 0006 )峰的位置匹配较好。插图：α-Fe2O3 ( 0006 )峰的半峰全宽( FWHM )的放大图。(d) α-Fe2O3 ( 0001 )样品的原子力显微镜照片。剖面高度的均方根平均值( Rq )为1.11 nm。插图：宽度( W )为4 μm，长度( L )为8 μm的器件图像。

图2 | 在没有外加电流的情况下α-Fe2O3磁振子频率fm的影响随温度的变化。(a) 从50 K到300 K的温度范围内，α-Fe2O3的磁矩m随着温度的变化而变化。在TM ~ 261 K出现了一个Morin转变点。插图：在T = 300 K时，磁滞回线数据，面内矫顽力Hc = 7.5 mT。(b) q-AFM自旋进动。I和 M方向相互垂直，且锁定在(0001)面。(c) 通过磁光测试，得到磁振子频率fm(波矢k >0)随温度的变化曲线(图中方块数据)。通过磁光测量测得的整体频率蓝移是有限k磁振子的证据。插图：计算得到的q - AFM模式沿[ 0001 ]方向的α-Fe2O3磁振子色散关系，表明fm和k均与两个测量结果吻合。

图3 | T = 300 K时SOT调控α-Fe2O3的q-AFM fm的实验结果。(a) 利用时间分辨磁光观测SOT调制反铁磁磁矩示意图。通过飞秒光泵浦激发α-Fe2O3中的相干磁振子，激发态可以通过探测光的偏振反向来表征。Jc，Js和Jm分别是注入的电荷流，自旋流和磁振子流。(b) fm由相邻Pt层注入的自旋流Js操纵。(c)  在σ//l和σ//m两种测试模式下， fm和fp随电流密度Jc的变化。(d)σ//l，σ//m 的SOT自旋构型示意图。

在本工作中，采用时间分辨磁光法观测α-Fe2O3中的亚太赫兹振荡频率的磁振子。该方法是通过时间分辨的磁光相互作用，即法拉第效应和科顿-穆顿效应来研究AFM绝缘体中自旋动力学。具体来说，α-Fe2O3中的自旋动力学是通过超快激发光子能量高于α-Fe2O3带隙3.1 eV的泵浦脉冲获得的，并通过使用典型的磁光探测跟踪探测脉冲的偏振旋转来检测。结合以往的实验，研究人员所采用这种方法，因为它对以SOT调谐为主的界面效应敏感，并且可以测量有限k的高频磁振子成分。

此工作为在反铁磁体中电操控亚太赫兹磁振子提供了一种有效且通用的手段，例如，可用于制作片上集成的太赫兹光子学纳米电路。利用电场的SOT调制，因不需要利用奇异的自旋纹理或复杂的器件结构，适用于广泛的反铁磁AFM材料。因此，本项工作在全电式THz磁电子器件和光子器件的开发中发挥重要作用，推动反铁磁AFM材料在亚太赫兹频段自旋存储器件的应用。

相关成果以“Spin-orbit torque manipulation of sub-terahertz magnons in antiferromagnetic α-Fe2O3”为题发表于国际知名期刊《Nature Communications》

论文链接：www.nature.com/articles/s41467-024-48431-w

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