金屬異質結構中的絕熱自旋和軌道泵浦

核心概念

本文利用第一性原理計算研究了金屬異質結構中的自旋和軌道泵浦效應，發現d軌道在費米能級附近的材料中，軌道泵浦效率更高。

摘要

文獻信息：

標題：金屬異質結構中的絕熱自旋和軌道泵浦
作者：Armando Pezo, Aurélien Manchon, Dongwook Go, Yuriy Mokrousov, Henri Jaffrès
期刊：預印本，arXiv:2411.13319v1 [cond-mat.mes-hall]

研究目標：

本研究旨在利用第一性原理計算，探討金屬異質結構中，由磁化強度動力學誘導的自旋和軌道密度，並評估不同界面上的自旋和軌道泵浦效率。

方法：

研究人員採用基於 Keldysh 形式主義和 Wigner 展開的絕熱泵浦理論，首先在模型系統上進行模擬，確定控制自旋和軌道泵浦到相鄰非磁性金屬中的參數。接著，他們利用第一性原理計算，將研究擴展到涉及重金屬（W、Pt、Au）和輕金屬（Ti、Cu）的真實異質結構。

主要發現：

• 當鐵磁體中存在自旋軌道耦合時，軌道泵浦效應可以與自旋泵浦效應一樣顯著。
• 軌道泵浦在費米能級附近具有 d 態的金屬（如 Ti、Pt 和 W）中更受青睞，但在缺乏此類態的材料（如 Cu 和 Au）中則受到抑制。
• 軌道注入在具有強自旋軌道耦合的材料中也更受青睞，導致 Ni/(Pt, W) 雙層膜中出現較大的軌道泵浦效應。

主要結論：

本研究結果表明，軌道泵浦效應在具有特定電子結構的金屬異質結構中可以非常顯著，這為自旋電子學器件的設計和開發提供了新的思路。

研究意義：

本研究加深了人們對金屬異質結構中自旋和軌道泵浦效應的理解，為開發基於軌道角動量的自旋電子學器件提供了理論依據。

局限性和未來研究方向：

本研究未考慮無序效應和自旋電荷轉換機制，這些因素可能會對自旋和軌道泵浦產生重大影響。未來研究方向包括將本研究擴展到擴散體系，並更全面地描述界面粗糙度和多晶效應的影響。

統計資料

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Adiabatic Spin and Orbital Pumping in Metallic Heterostructures

by Arma... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13319.pdf

深入探究

如何利用軌道泵浦效應來設計新型的自旋電子學器件？

軌道泵浦效應，作為一種新興的自旋-軌道耦合現象，為設計新型自旋電子學器件提供了獨特的可能性。以下是一些潛在的應用方向：

軌道力矩產生器： 軌道泵浦效應可以作為一種高效產生純軌道力矩的方法。通過鐵磁共振激發鐵磁層中的磁化動力學，可以將軌道角動量泵浦到鄰近的非磁性金屬層中，從而產生軌道力矩。這種軌道力矩可以用於操控磁性材料的磁化方向，實現新型的磁性存儲器和邏輯器件。
低功耗自旋電子學器件： 與傳統的自旋注入技術相比，軌道泵浦效應不需要通過電流來產生自旋流，因此可以顯著降低器件的功耗。這對於開發低功耗、高集成度的自旋電子學器件具有重要意義。
自旋-軌道力矩轉換器： 通過選擇具有特定自旋霍爾效應和軌道霍爾效應的材料組合，可以利用軌道泵浦效應實現自旋流和軌道流之間的高效轉換。這種轉換器可以作為自旋電子學電路中的關鍵元件，實現自旋信息的傳輸和處理。
新型自旋邏輯器件： 軌道泵浦效應可以與其他自旋電子學現象（如自旋霍爾效應、自旋軌道力矩）相結合，設計出具有新功能的自旋邏輯器件。例如，可以利用軌道泵浦效應來控制自旋波的傳播，實現基於自旋波的邏輯運算。
總之，軌道泵浦效應為自旋電子學器件的設計提供了新的思路和方法，有望推動自旋電子學技術的發展和應用。

如果考慮無序效應，自旋和軌道泵浦效應會發生怎樣的變化？

無序效應，例如雜質、缺陷和界面粗糙度，會顯著影響自旋和軌道泵浦效應。

自旋翻轉散射： 無序會導致自旋翻轉散射，從而降低自旋流的弛豫時間和自旋擴散長度。這會導致自旋泵浦效率降低，並且自旋密度在非磁性金屬層中的衰減更快。
軌道-動量鎖定效應的破壞： 無序會破壞軌道-動量鎖定效應，導致軌道流的弛豫時間和擴散長度減小。這會降低軌道泵浦效率，並且軌道密度在非磁性金屬層中的衰減更快。
界面散射： 界面粗糙度會增強界面处的自旋和軌道散射，從而降低自旋和軌道泵浦效率。
局域化效應： 在強無序情況下，電子波函數會發生局域化，導致自旋和軌道傳輸受到抑制。
總體而言，無序效應會降低自旋和軌道泵浦效率，並縮短自旋和軌道流的傳輸距離。為了提高自旋和軌道泵浦器件的性能，需要盡可能減少材料中的無序效應。

除了金屬異質結構，其他材料體系中是否存在類似的軌道泵浦效應？

除了金屬異質結構，軌道泵浦效應也可能存在於其他材料體系中，例如：

拓撲絕緣體/鐵磁體異質結構： 拓撲絕緣體具有受拓撲保護的表面態，這些表面態具有自旋-動量鎖定特性，可以作為自旋流和軌道流的傳輸通道。通過鐵磁共振激發鐵磁層中的磁化動力學，可以將自旋角動量泵浦到拓撲絕緣體的表面態中，並通過自旋-軌道耦合轉換為軌道角動量，從而產生軌道泵浦效應。
二维材料異質結構： 石墨烯、過渡金屬硫族化合物等二维材料具有獨特的電子結構和自旋-軌道耦合特性，也可能存在軌道泵浦效應。例如，在石墨烯/鐵磁體異質結構中，可以通过鐵磁共振激發將自旋角動量泵浦到石墨烯層中，並通過Rashba自旋-軌道耦合轉換為軌道角動量。
強自旋-軌道耦合材料： 一些具有強自旋-軌道耦合的材料，例如拓撲半金屬、Weyl半金屬等，也可能存在軌道泵浦效應。在這些材料中，自旋和軌道自由度之間存在強烈的耦合，有利於自旋角動量向軌道角動量的轉換。
總之，軌道泵浦效應作為一種新興的自旋-軌道耦合現象，其研究不僅局限於金屬異質結構，也為其他材料體系中的自旋電子學研究提供了新的思路和方向。