首度確認四度對稱的各向異性磁電阻微觀機制
近日，同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院周仕明教授團隊與北京師范大學(xué)物理學(xué)系高等量子研究中心袁喆教授課題組，通過理論和實驗深度合作首次揭示了鐵磁金屬材料四度對稱各向異性磁電阻微觀機制，即在自旋軌道耦合作用下，費米面態(tài)密度受磁矩方向調(diào)制從而導(dǎo)致電子弛豫時間的各向異性。
磁性金屬材料的電阻率受磁構(gòu)型的調(diào)控，這類被稱為“磁電阻”的自旋相關(guān)輸運現(xiàn)象是自旋電子學(xué)的重要基石。各向異性磁電阻描述了鐵磁金屬中電阻率隨磁化方向改變的變化情況，早在1857年由William Thomson（Kelvin勛爵）在測量鐵和鎳的電阻率時首先發(fā)現(xiàn)，如今廣泛應(yīng)用于磁傳感領(lǐng)域。在多晶材料中，對稱性的限制使電阻率僅依賴于電流與磁矩方向的夾角j，呈現(xiàn)出cos2j型的二度對稱性。自上世紀30年代首次在單晶鎳中發(fā)現(xiàn)cos4j型的四度對稱各向異性磁電阻以來，四度對稱項已經(jīng)被確認廣泛存在于單晶鐵、鈷、氧化鐵、錳氧化物和稀磁半導(dǎo)體等鐵磁材料中。然而，經(jīng)歷了近一個世紀的探索，人們對四度對稱各向異性磁電阻的微觀機制依然知之甚少。
圖1. (a)單晶鐵鉑有序合金的各向異性磁電阻測量示意圖。(b)自旋軌道耦合作用下費米能附近態(tài)密度隨磁矩方向的變化。當電流沿[110] (c)和沿[100] (d)，實驗測量的電阻率隨磁矩方向的依賴關(guān)系。
同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院周仕明教授團隊與北京師范大學(xué)物理學(xué)系袁喆教授課題組合作，系統(tǒng)研究了L10相鐵鉑有序合金的各向異性磁電阻，并通過改變合金有序度和測量溫度等條件分離出二度對稱性和四度對稱性的變化趨勢。其中二度對稱項強烈依賴于電流所在晶向，隨有序度和溫度的變化情況可以通過分析能帶結(jié)構(gòu)很好地理解。更重要的是，實驗發(fā)現(xiàn)四度對稱貢獻與電流所在晶向無關(guān)，僅取決于磁矩所在的晶向，并且隨無序度增大表現(xiàn)出先增大后減小的非單調(diào)變化。
第一性原理計算發(fā)現(xiàn)自旋軌道耦合相互作用使得費米面附近態(tài)密度隨磁矩方向變化呈現(xiàn)相同的四度對稱性，并且由于傳導(dǎo)電子態(tài)密度增大而導(dǎo)致弛豫時間減小，電阻率增大。這項研究結(jié)合實驗測量與理論計算，首次揭示了四度對稱各向異性磁電阻來源于電子弛豫時間的各向異性，后者由費米面態(tài)密度四度變化所致。同時，四度項與電流所在晶向無關(guān)，這成為該機制的決定性判據(jù)。進一步，第一性原理計算復(fù)現(xiàn)了鐵鉑有序合金中的四度對稱項隨無序度的非單調(diào)變化和自旋軌道耦合強度的單調(diào)變化。最后需要指出的是，在自旋軌道耦合作用下，磁矩方向調(diào)制費米面態(tài)密度是鐵磁金屬中普遍存在的現(xiàn)象，因此本文提出的機制對于單晶鐵磁金屬具有普適性。此外，電子弛豫時間的各向異性也會引起包括磁性阻尼在內(nèi)的重要物理參數(shù)出現(xiàn)各向異性行為。
圖2. (a) 實驗測量四度對稱各向異性磁電阻。(b) 理論計算完全有序鐵鉑合金的四度對稱項隨電阻率的變化。插圖表示有限溫度費米面態(tài)密度的各向異性。
相關(guān)成果以Fourfold anisotropic magnetoresistance of L10 FePt due to relaxation time anisotropy為題發(fā)表在《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 128, 247202 (2022)]。同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院博士生代宇和北京師范大學(xué)物理學(xué)系博士生趙亞文為論文的共同第一作者，周仕明教授和袁喆教授為論文的共同通訊作者，論文的主要合作者還包括同濟大學(xué)丘學(xué)鵬教授、馬麗博士、唐猛博士和北京師范大學(xué)劉翌研究員。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃等經(jīng)費的支持。
論文鏈接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.247202
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負責(zé)。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com