首页
产品中心
技术百科
客户案例
新闻中心
关于我们

客户成果丨清华大学《Physical Review Letters》：完全补偿的人工反铁磁中磁化动力学的电学探测

清华大学材料学院潘峰-宋成团队在声波调控反铁磁动力学领域取得最新进展，该研究成果以“Electrical Detection of Acoustic Antiferromagnetic Resonance in Compensated Synthetic Antiferromagnets”为题发表在《Physical Review Letters》期刊上。

磁声耦合不仅在自旋-声子耦合等基础研究中至关重要，近年来还在低功耗信息存储、5G通信和磁传感技术中引起了广泛关注。声表面波（surface acoustic wave，SAW）沿着弹性体表面传播，携带着长程传输的相干声子，为研究磁声耦合提供了全新的平台。SAW驱动的磁化动力学对于实现磁声耦合至关重要，是实现对磁化和自旋高效声学操控的关键。鉴于目前磁声耦合的研究受限于复杂的分析和高昂的设备，清华大学材料学院潘峰-宋成团队基于电学整流实现了SAW驱动铁磁共振的直流电学探测（Adv. Mater. 35, 2302454 (2023)），这种探测手段表现出更好的器件集成兼容性和更低的成本。

最近，他们进一步将该电学探测方法应用于人工反铁磁体系中的磁化动力学探测。在人工反铁磁（synthetic antiferromagnet，SAF）中，铁磁层之间的反铁磁耦合通过非磁性层媒介的RKKY耦合来实现。SAF继承了反铁磁和铁磁各自的优势，包括本征频率高、杂散场小、操作和检测方便，这使得SAF成为了在磁随机存储器等自旋电子学应用中很有前途的候选材料。由于层间反铁磁耦合的存在，SAF中有两种磁化进动模式：同相进动的声学模式（acoustic mode，AM）和反相进动的光学模式（optical mode，OM），如图1(a)所示。在饱和场以上的铁磁构型中（竖直虚线右侧），由于上下层磁矩之间的对称性，OM难以通过传统的微波铁磁共振实验探测到，即图1(b)中的蓝色虚线所示。为了克服这一障碍，研究者们通常利用上下层不对称的结构来打破对称性（如使用不同的厚度或不同的磁性材料）。但是不对称结构会引入剩磁，不利于磁存储器件的高密度集成。此项工作提出利用SAW沿着面外衰减的特性来打破SAF的对称性，进而通过整流效应来探测完全补偿的SAF中在铁磁构型下隐藏的光学模式，如图1(a)所示。通过有限元模拟，发现上下两层磁性膜中的应变确实存在显著差异，即应变在厚度方向具有梯度分布，如图1(c)-1(d)所示。图1(e)展示了测得的SAF中典型的反铁磁共振谱，可以清楚地分辨出两个共振峰，即AM和OM。作为对照，如图1(f)所示，在没有反铁磁耦合的样品中（单层铁磁和铁磁耦合的多层膜）进行了相同的测量。可见只有一个AM的共振峰，表明图1(e)中的OM来自于反铁磁耦合。

图1 SAF中反铁磁共振的探测原理及SAF中的应变分布 (a) 测试构型和探测原理示意图。放大图展示了SAW在SAF里引起的应变分布和两种反铁磁共振模式（包括声学和光学模式）中磁矩的进动状态。(b) 两种磁化状态（倾斜和铁磁构型）下，AM和OM的共振频率随外磁场H的变化。蓝色虚线表示隐藏的OM。(c) 上下两层中的切应变εxz在x方向的分布。(d) 应变εxx，εxz和εzz在z方向的分布。(e) 45°下典型的反铁磁共振谱。(f) 对照样品中的共振谱，表明第二个共振峰（OM）来自于反铁磁耦合。

下面讨论角度依赖性。AM和OM各自的角度依赖性总结在图2(a)-2(b)中。可见AM和OM都表现出非互易性，即0~180°角度范围内的电压较大。该非互易性来自于驱动场和磁矩进动的手性失配。此外，AM的非互易性比OM的更强。在图2(a)中，负磁场下的共振信号几乎被完全抑制。通过有限元模拟，在图2(c)中，发现决定AM非互易强度的应变比Σεxx/Σεxz大于决定OM非互易强度的Δεxx/Δεxz，从而导致AM具有更显著的非互易性。

图2 反铁磁共振谱的角度依赖性和非互易性 (a) AM的角度依赖性。(b) OM的角度依赖性。(c) 应变比值在z方向上的分布。

通过改变铁磁层Ni的厚度可对OM的强度进行调控。图3(a)展示了不同Ni厚度样品的共振谱。在厚度为8~18 nm的样品中，可以清楚地分辨出两个共振峰。通过对共振谱进行洛伦兹线形分离，可以提取出AM和OM各自贡献的电压信号，如图3(b)-3(c)。不难发现，与14 nm的样品相比，12 nm的样品中OM的强度显著减弱。对所有厚度的样品进行线形分离之后，发现反映OM相对强度的比值VOM/VAM显著依赖于Ni的厚度。VOM/VAM随着Ni厚度的增加而增加，并在14 nm时接近饱和。通过与SAF内部的应变建立联系，可以很好地解释OM的强度与Ni厚度的关系，有限元模拟的应变见图3(d)-3(e)。模拟得到的应变比例与OM的强度呈正相关，随着Ni厚度的变化趋势相同，且它们都趋近于各自的饱和值，如图3(e)所示。因此改变厚度的调控实际上是通过改变SAF里的应变来实现的。

图3 铁磁层厚度对OM强度的调控和调控机制 (a) 不同Ni厚度的样品中的共振谱。磁场施加在φH = 45°。(b) 12 nm的样品中的共振谱。(c) 14 nm的样品中的共振谱。(d) 不同Ni厚度的样品中模拟得到的应变Σεxx –Σεxz和Δεxx –Δεxz。(e) SAF中OM的相对强度VOM/VAM与归一化应变的比值随磁性层厚度tNi的变化。