逆自旋霍尔效应

金属薄膜中的逆自旋霍尔效应
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
Inverse Spin Hall effect in metallic thin films
Mao Qi ZHAO Hong-Wu†
(Laboratory of Solid State Quantum Information and Quantum Computation, Institute of Physics, Chinese
Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
Abstract The generation and detection of spin current define the main challenges of the spin spintronics. Inverse spin Hall effect can be used as an effective electrical measurement for spin current in metallic †通讯联系人. Email: hwzhao@
system. In this paper, investigations of inverse Hall effect in recent years are reviewed by three different spin pumping techniques, that is, nonlocal electrical, ferromagnetic resonance, sound wave and optical injection.
Keywords spintronics, inverse spin Hall effect, spin pumping in ferromagnetic resonance, polarized optical spin pumping, nonlocal electrical spin pumping, sound wave resonance
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[1]从理论上预言了自旋霍尔效应(Spin Hall Effect, SHE)的存在，即自旋流可以在垂直于电荷流和自旋极化方向上产生。

Hirsch[2]提出了一个在金属薄膜中观测SHE的方案，Zhang[3]、Murakami[4]、Sinova[5]等人分别提出了在半导体材料中观察SHE的方案。

随后Kato[6]和Wunderlich[7]分别用磁光Kerr效应和自旋发光二极管(spin light-emitting diode)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(Inverse Spin Hall Effect, ISHE)，通过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[8]，Au[9]和Pt[10]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J s的方向偏
转(图 1)。

J s 的方向、电子自旋方向σ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J s 和其自旋极化矢量σ的电场E ISHE ，它们之间的关系可以表示为：
(1) 为自旋霍尔系数。

因此，通过测量E ISHE ，我们就可以知道自旋流的大小和方向。

在实验中，通常通过改变磁场方向来验证是否存在ISHE 。

图 1 ISHE 示意图，电荷在垂直于J s 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J s 的注入，并在薄膜垂直于J s 和σ方向的两端产生E ISHE 。

非局域电注入是指测量E ISHE 的位置距离自旋流注入的地点较远。

金属线中E ISHE 的测量
Valenzuela 等人[8]早期在CoFe/Al 2O 3/Al 结构中实现了自旋流的注入，并在Al
D
ISHE
膜中观察到ISHE ，但是由于Al 的自旋轨道耦合作用太弱，自旋霍尔角仅为10-4，实验必须要在低温(4.2K)下进行。

随后Kimura 等人[10]利用Py/Cu/Pt 结构产生自旋流，分别在室温和77K 的条件下在Pt 薄膜中测量到E ISHE ，其中Py 层厚度为30nm ， Pt 层的宽度是80nm ，厚度是4nm ，Py 距离Pt 层中心的距离约为400nm(图 2a)。

图 2 (a) Py/Cu/Pt 结构的扫描电子显微镜成像的结构示意图。

(b)(c) ISHE 中电子的化学势分布与物理
过程。

(d)(e)SHE 中电子的化学势分布与物理过程。

[10]
Py ，Cu 和Pt 的电阻率分别为15.4×10-8，2.1×10-8和15.6×10-8Ωm ，因此电场在Cu 线的分压不大。

自旋流注入Pt 中时，由于界面处自旋向上和自旋向下的电子的化学势与Pt 内部的化学势不同(图 2,b)，导致从Py 层向Pt 层注入自旋流，并转化为E ISHE 。

实验观察到77K 时的自旋霍尔电阻(=D V c /I )比室温下的大，随着面内磁场的增强而增强，并逐渐饱和(图 3,a 和b)。

如果在Pt
层两端施加电场，R SH R SH
Py 层中也可以探测到电压
D V s 的变化(图 3,c 和d)，这表明自旋流到电荷流以及电荷流到自旋流的转化是可逆的。

D V s /I 和自旋霍尔电阻D V c /I 大致相等，说明电荷流和自旋流的相互转化符合Onsager 关系。

实验估算得到室温下Pt 的自旋霍尔角，比Al 大一个数量级，认为是Pt 的原子序数较大引起了较强的自旋轨道耦合作用。

图 3 (a)(b) 室温下与77K 下ISHE 导致的
随磁场的变化。

(c)(d) 室温下与77K 下SHE 导致的随磁场的变化。

[10]
铁磁共振ISHE
在铁磁性/非磁金属薄膜垂直于膜面施加微波磁场，铁磁性金属薄膜的磁矩会绕着外加直流磁场方向做有阻尼的进动(图 4)，并且进动幅度会逐渐减小，最终磁矩的方向会趋同于有效磁场的方向。

由于角动量守恒，电子的角动量会从铁磁性金属向非铁磁性金属耗散，即向非铁磁性金属中注入自旋流。

当外加磁场达到铁磁共振a SH =s SH /s c =3.7´10-
3D V C /I D V S /I
(FMR)的频率时，注入的自旋流最大。

图 4 向Ni81Fe19/Pt薄膜施加微波磁场和与ISHE的示意图。

[11] Saitoh等人[11]早期在Ni81Fe19/Pt双层结构中观察到了ISHE，其中Ni81Fe19层的厚度为10nm，Pt层的厚度为7nm，薄膜的大小为1 mm×1 mm。

定义I为微波的吸收强度，与没有附加Pt层的样品相比，Ni81Fe19/Pt结构的共振吸收信号d I(H)/d H的半高宽要更宽(图5,a)，这说明有自旋流从Ni81Fe19注入到Pt中[12]。

FMR信号d V/d H(图5,b)是由两部分贡献构成的：Pt层中的ISHE信号和Ni81Fe19层中的反常霍尔(AHE)信号。

ISHE信号是关于磁场零点对称的，AHE信号关于磁场零点反对称(图5,c)。

实验表明在只存在Ni81Fe19层时，d V/d H近似偶对称(图5,d)；而在附加有Pt层时，d V/d H近似奇对称(图5,e)，说明此时ISHE信号的贡献占主要部分。

图 5 Ni 81Fe 19 /Pt 与Ni 81Fe 19薄膜的FMR 信号对比。

O. Mosendzde [13]和Ando 等人[12]分别研究了Pt 薄膜中逆自旋霍尔电压V ISHE 与微波功率和薄膜尺寸的关系。

实验结果表明。

Ni 81Fe 19层的宽w 和长l 分别定义为其垂直和平行于磁场方向的长度，V ISHE 与铁磁层的宽度w 成正比，与长度l 无关，与公式(1)一致，同时说明产生的自旋流在毫米尺度上分布均匀。

声波共振ISHE
将铁磁绝缘体/顺磁金属的薄膜放到压电陶瓷片上，压电陶瓷两端加交流电产生振动(图 6,a)，这样声波可以通过声子将能量传递给铁磁绝缘体中的磁振子，从而将自旋流注入到顺磁金属中[14]，最终在金属薄膜的两端探测到E ISHE (图 6,b)。

P MW V ISHE µj s µP MW
Uchida等人[14]采用声波共振注入自旋流技术在Pt/Y3Fe5O12(YIG)结构中观察到了ISHE。

声波是在压电陶瓷薄膜两端加频率为f的交流电产生的，因此电流和振动产生的热流会导致自旋塞贝克(Spin Seebeck, SS)效应[15]伴随产生，可以通过去掉Si 衬底来过滤这种干扰信号。

有和没有Si衬底的样品的测量结果表明(图6,c)，SS产生的电动势与声波注入产生的E ISHE符号相反，而声波共振注入产生的V ISHE在相同频率最大，说明声波共振实现了自旋流的注入。

进一步的研究表明[16]，这个频率与压电陶瓷的磁致伸缩系数和YIG/压电陶瓷界面的透射系数有关。

图6 (a) (b) 声波共振注入ISHE实验装置与物理图像示意图。

(c)声波共振注入V ISHE在有衬底(黑色实心圈)和无衬底(灰色实心圈)下随注入频率的变化关系。

[16]
圆偏振光注入ISHE
在Pt/GaAs薄膜中，圆偏振光透过Pt薄层入射到GaAs层，GaAs价带中的电子会吸收能量跃迁到导带(图7,a)。

控制入射圆偏振光的能量和角度，将在GaAs中产生光电子并经过GaAs/Pt界面形成自旋流，最终在Pt层的两端探测到E ISHE。

图7 (a) GaAs能带结构示意图。

(b)(c) 偏振光入射到Pt/GaAs结构与ISHE的示意图。

[17] Ando等人[17, 18]在Pt/GaAs双层结构中成功观察到光致ISHE。

Pt层的厚度为5nm，GaAs衬底的Si掺杂浓度N D=4.7×1018cm-3，入射圆偏振光的波长为670nm，入射光与薄膜样品平面法线的夹角为65°，与薄膜平面面内的夹角为θ(图7,b)。

实验分别测量了右旋圆偏振光和左旋圆偏振光照射样品表面时产生的逆自旋霍尔电压V R和V L。

实验发现V R-V L与sinθ成正比(图8,a)，与公式(1)一致。

图8 (a) V R-V L与θ的关系。

(b)归一化后的V R-V L与偏振度的关系。

[17]
定义圆偏振光的偏振度P
circ =
I+-I-
I++I-
，其中I+和I-分别是右旋和左旋圆偏振光的
光强。

实验发现归一化后的V R -V L 与偏振度呈线性关系(图 8,b)。

虽然圆偏振光的偏振度和大小需要考虑Pt 层引入的修正[18]，但圆偏振光的角动量在传播过程中守恒。

利用光致ISHE 可以探测与圆偏振光角动量成正比的E ISHE ，因此该结构还可用于制作探测偏振光的新型器件。

结论与展望
ISHE 是在金属薄膜中进行自旋流测量的重要方法。

目前，传统自旋流注入的技术，如非局域电注入和铁磁共振注入技术已经比较成熟，圆偏振光注入和声波共振等新的注入方式也被相继发现，这些方式各有特点：非局域电注入的物理意义明确，但在扩散型输运中自旋流指数衰减，注入效率比较低；铁磁共振和声波共振注入将自旋流直接注入到金属薄膜中，但需要的尺寸比较大；圆偏振光注入的特点在于其可以将偏振光的信息转化为自旋流信息，但效率较低。

现在ISHE 实验的难点在于自旋流的产生和注入的效率普遍不高，E ISHE 需要用锁相技术进行测量，而自旋流在金属薄膜中会很快衰减并转化为横向电压，其动力学过程尚不得而知。

现有的理论认为在电阻率不同的金属中，ISHE 有内部和外部两种不同的产生机制[19, 20]，但还需要更多的实验来证明和完善。

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