源自雜質(zhì)散射和拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)的反?；魻栃?yīng).pdf

1、近年來(lái)，自旋電子學(xué)的蓬勃發(fā)展要求人們對(duì)自旋相關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象有更徹底的理解，使得諸如反常霍爾效應(yīng)等長(zhǎng)年懸而未決的問(wèn)題吸引了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。理論上，反?；魻栃?yīng)有三種可能的起源，其中包括了基于雜質(zhì)散射的外稟機(jī)制和源自k空間中的貝利相位的內(nèi)稟機(jī)制。而在實(shí)驗(yàn)上觀察到的現(xiàn)象到底應(yīng)該歸結(jié)為哪一種或幾種機(jī)制，是一個(gè)爭(zhēng)論了半個(gè)多世紀(jì)而尚未得到徹底解決的問(wèn)題。然而，解決反?；魻栃?yīng)這一難題的意義卻超越了其本身。反?；魻栃?yīng)和晶體中的普遍存在的自旋軌道耦合

2、息息相關(guān)，一些近十年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新的自旋電子學(xué)現(xiàn)象如自旋霍爾效應(yīng)，其機(jī)理亦跳不出反?；魻栃?yīng)的三種機(jī)制。
　　反常霍爾效應(yīng)還在一些具有新奇的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)的體系中被發(fā)現(xiàn)。最近兩三年以來(lái)一些有著拓?fù)鋵W(xué)上非平庸的磁構(gòu)型的材料逐漸成為磁學(xué)界的研究熱點(diǎn)。其中極具代表性的是B20型過(guò)渡金屬硅化物和鍺化物中發(fā)現(xiàn)的skyrmion磁結(jié)構(gòu)。這種磁結(jié)構(gòu)因其與高能物理中核子模型的類(lèi)比而得名，組成一個(gè)單位結(jié)構(gòu)的自旋指向空間中的所有方向而包成球狀。這種磁構(gòu)型不

3、但新穎，且存在潛在的應(yīng)用價(jià)值。其數(shù)十納米量級(jí)的結(jié)構(gòu)周期使得該類(lèi)材料有被應(yīng)用于高密度磁存儲(chǔ)技術(shù)的希望，而這種磁結(jié)構(gòu)本身對(duì)電流和自旋流的奇特響應(yīng)，例如可以被極小的電流密度所驅(qū)動(dòng)，更使其有希望被用于下一代低能耗自旋電子學(xué)器件。在skyrmion磁結(jié)構(gòu)中，由于磁矩在空間中緩慢變化，運(yùn)動(dòng)于其中的電子將感受到相應(yīng)的勢(shì)場(chǎng)而積累實(shí)空間中的貝利相位并產(chǎn)生反?；魻栃?yīng)，與作用與k空間的內(nèi)稟機(jī)制類(lèi)似。由于其拓?fù)鋵W(xué)上的來(lái)源又稱為拓?fù)浠魻栃?yīng)。研究并理解這一現(xiàn)象

4、不但對(duì)理解輸運(yùn)現(xiàn)象中的貝利相位有幫助，而且可以作為對(duì)skyrmion磁結(jié)構(gòu)的探測(cè)手段，以期在不遠(yuǎn)的將來(lái)實(shí)現(xiàn)“skyrmionics”。
　　在上述背景下，本論文將致力于從實(shí)驗(yàn)角度解決如下三個(gè)問(wèn)題:
　　1.作為反?；魻栃?yīng)的外稟機(jī)制的side jump，因其與縱向電阻率的平方成正比的標(biāo)度關(guān)系和內(nèi)稟機(jī)制一致，使得從實(shí)驗(yàn)上分離兩者極為困難。近年來(lái)在理論和實(shí)驗(yàn)上的突破使得人們對(duì)于內(nèi)稟機(jī)制有了比較深刻的理解，然而對(duì)side jump

5、的理解，出于上述障礙，仍然相當(dāng)?shù)厍啡保踔吝B其在實(shí)際體系中存在與否都不清楚。我們對(duì)順磁鎳銅合金薄膜中的反?；魻栃?yīng)進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)了存在與縱向電阻率成平方關(guān)系的二次項(xiàng)貢獻(xiàn)。由于內(nèi)稟機(jī)制的貢獻(xiàn)需要體系具有鐵磁性，因而我們?cè)陧槾朋w系中觀察到的二次項(xiàng)可以毫無(wú)疑問(wèn)地歸結(jié)為side jump機(jī)制，并可以給出其具體定量的數(shù)值。我們還通過(guò)研究其溫度關(guān)系闡明了side jump正確的標(biāo)度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)sidejump只與低溫下的彈性雜質(zhì)散射有關(guān)，而與有限

6、溫度下聲子產(chǎn)生的非彈性散射無(wú)關(guān)。
　　2.在可以形成skyrmion的以MnSi為代表的B20結(jié)構(gòu)化合物中，人們發(fā)現(xiàn)在薄膜材料中skyrmion相遠(yuǎn)比在體材料中穩(wěn)定。此外，薄膜材料在器件制備方面有著體材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。因此無(wú)論從基礎(chǔ)研究的角度還是應(yīng)用的角度，人們都更希望能在外延生長(zhǎng)的薄膜材料中得到skyrmion磁結(jié)構(gòu)。我們?cè)赟i(111)襯底上成功外延生長(zhǎng)出高質(zhì)量的MnSi薄膜，并使用洛倫茲電鏡觀察到了其中形成的skyrmio

7、n磁結(jié)構(gòu)。我們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了外延薄膜中的skyrmion相比在體材料中更加穩(wěn)定。
　　3.我們進(jìn)一步研究了MnSi外延薄膜的輸運(yùn)性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)在磁矩被外場(chǎng)飽和之后MnSi中的反?；魻栃?yīng)由skew scattering和內(nèi)稟機(jī)制貢獻(xiàn)，而不像如此前他人的研究工作所聲稱的僅僅存在內(nèi)稟機(jī)制。在理解了反?；魻栃?yīng)的基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步研究了由于skyrmion磁結(jié)構(gòu)的形成而產(chǎn)生的額外的反常霍爾效應(yīng)——拓?fù)浠魻栃?yīng)，并在正的拓?fù)浠魻栯娮杪师裈yx