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在过去十年，大量的研究工作聚焦于横向自旋电流以及由此产生的自旋轨道矩（SOT），以此作为高效磁翻转的替代技术，从而克服自旋转移矩电荷和自旋电流共享同一通路的不足。最具代表性的SOT结构是铁磁(FM)/非磁性金属(NM)双层，其中，当电荷电流在双层中流动时，具有较大自旋轨道耦合(SOC)的NM层通过体自旋霍尔效应(SHE)或界面处的Rashba-Edelstein效应产生横向自旋电流。
人们探索了许多不同结构来提高电荷自旋转换效率，比如反铁磁、拓扑绝缘体、外尔半金属等。尽管理论预测已表明在铁磁体中就能产生各种极化方向的横向自旋流，但探索使用铁磁材料作为自旋源的实验研究却非常少。部分挑战来自于因界面处的强交换耦合而难以在紧密接触的两个铁磁层中产生和检测自旋电流。因此，迄今为止进行的实验大多采用单个 FM 层或 FM/NM/FM 夹层结构。在这两种情况下，由于表面和界面效应不能被忽视，很难将实验结果直接与 FM 层中产生的各种类型的自旋电流关联起来。
近日，新加坡国立大学吴义宏教授团队报道了在非共线反铁磁锡化锰/铁磁（Mn3Sn/FM）双层结构里的自旋态的电流驱动翻转。非共线反铁磁中的强大反常霍尔效应以及和相邻铁磁层间较弱的磁耦合使得我们能够探测从铁磁层中产生的自旋电流，而不需要依赖于增加额外的一层中间层来去除两层磁体的磁耦合。通过使用Ni, Fe, NiFe, CoFeB等不同的铁磁材料，实验观察到了Mn3Sn的不同翻转极性，这表明在这些不同的铁磁材料中产生了不同极化方向的自旋电流，同时Mn3Sn的翻转极性和铁磁材料的反常霍尔电阻的符号相关。除此之外，实验还观察到了无场电流驱动翻转，这表明了从铁磁材料中还能产生面外极化方向的自旋电流。这项研究为铁磁体中横向自旋电流的产生提供了直接证据，也为电学操控反铁磁状态提供了一条替代途径。此外，与之前利用反铁磁作为自旋电流源控制铁磁状态的研究不同，本研究提出了相反的做法，这在之前还没有报道过。
该工作以“Electrical Spin State Manipulation in All-Magnet Heterojunctions Using a Ferromagnetic Spin Source”为题发表在Advanced Materials上。该论文的第一作者为新加坡国立大学研究员谢航博士，通讯作者为吴义宏教授。课题组近年来聚焦基于铁磁、反铁磁结构里的自旋电荷相互转换，和基于自旋轨道矩的磁性传感器及其在位置探测和生物医学等领域上的应用。
图1(A)展示了实验中用到的层状结构和相应的TEM电镜图。锡化锰Mn3Sn薄膜由磁控溅射生长。不同的铁磁材料在锡化锰退火之后生长以避免相互扩散。从TEM图可以看出Mn3Sn和Ni之间形成了清晰的界面而没有明显的相互扩散。图1(B)是不同厚度的Mn3Sn的XRD图案，从中我们可以看到多峰，表明锡化锰多晶的特性。图1(C)展示了Mn3Sn/Ni在面外场下的M-H回路，由此可以提取出Mn3Sn（垂直各向异性，有磁滞）和Ni（面内各向异性，没有磁滞）各自的贡献。图1(D)-(G)展示了Mn3Sn/FM (FM=Ni, Fe, NiFe, CoFeB)的反常霍尔电阻。从中可以看出，Mn3Sn/FM也包含两个部分，具有磁滞的部分来源于Mn3Sn，而另一没有磁滞的部分则来源于FM。
图1. (A) 该研究的样品层状结构。(B) Mn3Sn的薄膜的XRD图案。(C) Mn3Sn/Ni双层结构的M-H回路和各层贡献的分量。(D-G) Mn3Sn/FM（FM=Ni, Fe, NiFe, CoFeB）的反常霍尔效应曲线和各层贡献的分量。
Mn3Sn和FM之间的较弱的磁耦合和各自保留的磁特性将有利于探究以FM层为自旋源 的SOT驱动翻转。图2A展示了Mn3Sn/FM双层结构在不同FM下的电流驱动翻转回路。由图可以看出Mn3Sn在所有结构中都呈现出了可确定性翻转，其中，Mn3Sn/Ni和Mn3Sn/NiFe的翻转极性和Mn3Sn/Pt的相同，Mn3Sn/Fe和Mn3Sn/CoFeB的翻转极性和Mn3Sn/Ta的相同。这表明Ni和NiFe的自选霍尔角（SHA）和Pt符号一样，而Fe和CoFeB的SHA则与Ta符号一样。图2B比较了Mn3Sn/FM和Mn3Sn/NM的翻转比率，从中可以看出Mn3Sn/FM的翻转比率（Mn3Sn/Ni中是39%，Mn3Sn/CoFeB中是25%）和后者相当，表明了FM能作为有效的自旋源。电流驱动翻转在磁光克尔效应显微镜下也同样被观察到，其结果和电学测量一致（图2C-D）。除此之外，通过进一步的外加辅助场相关性实验（图2E-G），研究者确定了Mn3Sn/FM中Mn3Sn的翻转主要由y方向极化的自旋电流所引入的类阻尼SOT驱动。
图2. (A) Mn3Sn/FM的电流驱动翻转曲线。（B）Mn3Sn/FM和Mn3Sn/NM在不同FM和NM下的翻转比率。(C-D) Mn3Sn/Ni和Mn3Sn/Fe在不同方向的电流和外加辅助场下的磁光霍尔效应图。(E-G) Mn3Sn/Ni和Mn3Sn/Fe在不同面内辅助场幅度和角度下Mn3Sn的翻转比率。
虽然以上的翻转主要符合基于传统自旋霍尔效应的设想，然而在无外加辅助场时，研究者也观察到了具有很小翻转比率（3%）的可重复翻转（图3A）。另外，无场翻转的极性和FM层的面内磁化方向有关。这表明了铁磁层除了能产生传统的y方向的自旋，还能产生z方向的自旋，并以此驱动无辅助场翻转。图3B-C展示了Mn3Sn的翻转比率和临界电流密度随FM厚度变化的趋势，图3D则展示了在不同Mn3Sn厚度下的翻转比率。此外，实验还探究了Mn3Sn/Ni/Fe三层结构的反常霍尔效应和电流驱动翻转。由图3E-F可以看出即使Ni/Fe的整体AHE符号和Fe一样（Fe的AHE信号幅度大于Ni），但是Mn3Sn/Ni/Fe中Mn3Sn的翻转极性和Mn3Sn/Ni的一样，这表明Mn3Sn的翻转主要受到相邻铁磁层中自旋电流的主导。以上结果共同表明了铁磁材料中的自旋电流主要是由体效应而非界面效应产生。
图3. (A) Mn3Sn/Ni和Mn3Sn/Fe在无辅助场下的电流驱动翻转。(B-C) Mn3Sn在不同FM厚度下的翻转比率和临界电流密度。（D）Mn3Sn在不同Mn3Sn厚度下的翻转比率。(E-F) Mn3Sn/Ni/Fe的AHE和电流驱动翻转曲线。
图4A-B描绘了在外加不同方向的面内辅助场时铁磁层中产生的自旋电流极化方向。与重金属不同，FM中除了能产生y方向的自旋，还能产生与磁化方向相关的其他方向的自旋 - x方向和z方向的自旋。这使得FM成为更灵活的自旋源，并将在下一代具有更高级功能和更高效率的自旋电子器件中发挥重要作用。最后，该工作还通过比较Mn3Sn/FM结构中FM的AHE电阻率大小和Mn3Sn的翻转临界电流Jc，发现了1/Jc 和FM中的AHE电阻率呈线性关系。因此，AHE电阻率可以作为一个很好的衡量FM中电荷-自旋转换效率的指标。
图4. (A-B) 铁磁层产生自旋电流的示意图。（C）不同结构中Mn3Sn的临界电流密度倒数与FM中反常霍尔效应电阻的关系图。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408340
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