绝缘磁体中磁子自旋流的电激发机制研究

To develop the magnon spintronics devices, the excitation and manipulation of magnonic spin currents (spin waves) are critical bottlenecks. Microwave excitation and spin-transfer-torque-based excitation are two common methods of magnonic spin current excitations. The drawbacks of the microwave excitation involve the impossibility to efficiently excite magnonic spin current with short wavelength and great energy consumption. As for the spin-transfer-torque-based excitation, the excessively high critical current density is essential, and it doesn’t apply for the magnetic insulator. We propose in this project that, the magnonic spin currents can be electrically excited in heavy-metal / magnetic-insulator heterojunction and multiferroic magnetic-insulator, via the spin orbit torque and electric field induced thermal magnon creation or annihilation. Using micromagnetic theory and spin-diffusion theory, we will investigate the thermal magnetic frequency spectrums of heavy-metal / magnetic-insulator heterojunction and multiferroics magnetic-insulator, the influences of spin orbit torque and electric field, the mechanisms of thermal magnon creation / annihilation, and non-equilibrium magnon diffusion, to efficiently excite the magnonic spin current. This project provides the electric excitation method of magnonic spin current in the magnetic insulator without the high current density or electric field, and the research of the thermal magnetic frequency spectrum is helpful for generating the magnonic current with high frequency and small wave-length. Based on the results obtained in this project, we will provide guidance for designing the magnon spintronic insulator devices and applying these devices in integrated circuits.

如何有效的产生和调控磁子自旋流（即自旋波）是研制磁子自旋器件的关键问题。目前磁子自旋流的产生主要采用微波激发或利用自旋极化电流驱动的磁矩自振荡。微波激发只能激发长波磁子流且能耗大，而自旋极化电流驱动的磁振荡也需要很大的电流密度，且不适用于高性能绝缘磁体。本项目提出在重金属/绝缘磁体异质结和多铁性绝缘磁体中通过自旋轨道力矩和电场导致热磁子的产生和湮灭来实现磁子自旋流的电激发。我们将采用微磁学理论和自旋扩散理论研究一定温度下重金属/绝缘磁体和多铁性绝缘磁体中热磁子频谱、电场和自旋轨道力矩对热磁子频谱的影响以及热磁子产生/湮灭机理、非平衡磁子的传播，实现磁子自旋流的高效激发。本项目研究的磁子自旋流的电激发方法适用于绝缘磁体，并且不需要很大的电流或电场，同时对热磁子频谱的调控有助于激发高频、短波的磁子自旋流。所得到的研究成果将为开发高性能、低能耗的绝缘磁子自旋器件及其在电路中的集成提供依据。

为研制具有高性能、低功耗等优点的磁子自旋器件，需要解决的一个关键问题是磁子自旋流的激发和调控。目前常见的微波磁场方法不易激发短波磁子流，且能耗较大；自旋极化电流驱动磁矩自振荡的激发方式往往需要很大的电流密度，且不适用于性能优异的绝缘磁体。本项目提出，在重金属/绝缘磁体异质结和多铁性绝缘磁体中，通过自旋轨道力矩和电场引起热磁子的产生/湮灭，驱动非平衡磁子扩散实现磁子自旋流的电激发。主要研究内容有：（1）重金属/绝缘磁体异质结中的热磁子特性以及自旋轨道力矩引起的热磁子产生/湮灭；（2）多铁性绝缘磁体中的热磁子特性以及电场引起的热磁子产生/湮灭；（3）非平衡磁子在磁体中传播引起的磁子自旋流及其调控；（4）绝缘磁子自旋信息器件的理论设计。重要结果有：（1）搞清楚了重金属中电子自旋输运和绝缘磁体中热磁子的相互耦合机制，基于动态磁导率和热磁子统计分布分析了热磁子产生/湮灭的非线性特性和物理机制；并且发现热磁子的产生/湮灭可以引起单向自旋霍尔磁电阻。（2）搞清楚了多铁性绝缘磁体中电场驱动热磁子产生/湮灭效应的物理机制，发现非均匀电场力矩类似于自旋转移力矩，可以翻转磁矩、驱动自振荡、移动斯格明子以及改变热磁子密度。（3）提出了斯格明子的光镊机制，即利用激光和表面等离激元产生的非均匀电场力矩来局域斯格明子并控制斯格明子阵列中的磁子。（4）系统研究了非平衡磁子扩散引起磁子自旋流的特点和调控机制，提出利用电场、自旋轨道力矩、手性相互作用以及磁子波导的几何形状设计等因素控制磁子自旋流的激发和传播。（5）设计了自旋轨道力矩驱动的parity-time(PT)对称磁子波导，利用PT对称的相关效应可以调控磁子自旋流的输运和激发特性。（6）设计了几种基于磁子自旋流操作的磁子自旋信息器件。上述研究结果对充分认识磁子自旋流的电激发机制以及输运特性具有重要的科学意义，也为研制高性能磁子自旋信息器件提供了依据。