3d 铁磁金属中的自旋哈克效应及其在无场垂直磁化开关中的应用：第一性原理研究
材料科学
2025-01-03 v1
摘要
铁磁金属因可通过自旋哈克效应产生非传统自旋极化的自旋电流，为无场垂直磁化开关及自旋轨道力矩器件提供了广阔的应用前景。本研究针对包括Fe、Co、Ni及其合金的3d铁磁金属中两种不同的自旋哈克机制进行调查：一种是由自旋轨道耦合引起的自旋哈克效应，另一种是由各向异性自旋极化输运引起的非相对论性自旋哈克效应，以L10-MnAl为例进行阐述。通过采用第一性原理计算方法，考察了Fe、Co、Ni及其合金中自旋哈克导电率随温度和合金组成的依赖性。我们的结果表明，在300 K时，3d铁磁金属中具有垂直于平面自旋极化的自旋哈克导电率可达1000 \frac{\hbar}{2e} (\Omega \, \text{cm})^{-1} 量级，但由于纵向导电率较大，其自旋哈克角较小，仅在0.01~0.02之间。在L10-MnAl(101)结构中，非相对论性自旋哈克导电率可达10000 \frac{\hbar}{2e} (\Omega \, \text{cm})^{-1}，室温下的自旋哈克角可达0.25，呈现出巨大的自旋哈克效应。通过分析磁化开关过程，我们展示了可利用3d铁磁金属作为自旋电流源，在无需外部磁场的情况下实现垂直磁化的确定性开关。我们的工作可能为人们对3d铁磁金属中自旋哈克效应提供明确的理解，并为其在相关自旋电子器件中的潜在应用铺设了道路。
引用
@article{arxiv.2501.00737,
title = {Spin Hall effect in 3d ferromagnetic metals for field-free switching of perpendicular magnetization: A first-principles investigation},
author = {Fanxing Zheng and Jianting Dong and Yizhuo Song and Meng Zhu and Xinlu Li and Jia Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2501.00737},
year = {2025}
}