电-场可调的、由自旋泵浦诱导的各向异性g因子研究

《Nano Letters》：Electric-Field Tunable Anisotropic g-Factor Induced by Spin Pumping

本文报道了在Py/AlOx/STO二维电子气体系中，通过自旋泵浦实现了对铁磁层朗德g因子的显著调制。研究首次实验观测到低温下g因子呈现二重对称的各向异性，并进一步证明这种各向异性可通过外加电场进行调控，为在低维系统中操纵磁化动力学提供了新途径。

　　

铁磁材料磁化动力学的核心由唯象的朗道-利夫希茨-吉尔伯特方程描述，其中两个关键参数是阻尼常数α和朗德g因子。自旋泵浦，即铁磁体进动的磁化向相邻非磁层注入纯自旋流，其特征效应是增强铁磁层的磁阻尼。理论预言自旋泵浦同样会影响g因子，但实验证据一直有限。

本文研究了一种具有强自旋-轨道耦合的Py/AlO_x/STO二维电子气体系统。通过分子束外延制备了多层膜结构，高分辨率表征显示界面清晰。电学测量证实了AlO_x/STO界面二维电子气的存在，其onset温度约在100K，且电阻可通过背栅电压进行调控。

研究者制备了集成到共面波导中的微米级条纹器件进行铁磁共振测量。在二维电子气onset温度以下，共振磁场随磁场角度的变化轨迹出现了异常：其极值位置发生了偏移，且最大最小值的差值增大。这种变化无法用条纹的形状各向异性解释。作为对照的Py/STO样品在所有温度下均未出现此类偏移，排除了衬底诱导未知磁各向异性的可能。

进一步分析表明，这种异常的共振场行为源于自旋泵浦诱导产生的各向异性朗德g因子。通过测量不同磁场角度下的频率依赖关系并拟合，在50K和20K下清晰地获得了具有二重对称性的g因子分布。其相对各向异性随温度降低而增强。而在Py/STO对照样品中，g因子基本是各向同性的。为了确认角动量被二维电子气吸收是关键，研究者在Py与STO之间插入了4 nm的Pt层作为各向同性的自旋汇。结果表明，Pt层的插入完全抑制了异常的共振场偏移，所有数据都能用条纹形状各向异性和各向同性的g因子解释，从而证实了Py/AlO_x/STO中各向异性g因子的出现与自旋泵浦进入二维电子气直接相关。

STO极大的介电常数结合二维电子气低的载流子密度，使得通过背栅电压有效调控费米能级成为可能。研究系统探究了栅电压对共振场及g因子的影响。对于不同的磁场方向，共振场对栅电压的响应截然不同：在某些方向共振场随栅压增大而减小，在某些方向几乎不变，而在另一些方向则随栅压增大而增大。这种强烈的角度依赖性表明调制源并非栅压通过磁电效应对Py磁各向异性的改变，因为电场主要影响的是二维电子气而非高载流子浓度的Py膜层。分析不同栅压下的g因子各向异性分布图发现，栅压可调制的g因子变化量本身也是各向异性的。在Py/Pt/STO和Py/STO对照样品上进行的控制实验，前者未观察到调制，后者的调制远弱于Py/AlO_x/STO样品，这确认了Py/AlO_x/STO中各向异性g因子的栅压可调性源于二维电子气费米能级的调制。

在铁磁共振条件下，多晶Py层的磁化进动向二维电子气注入各向同性的自旋流。然而，如果自旋汇是各向异性的，则可能导致各向异性g因子的出现。先前研究指出STO基二维电子气的自旋织构具有四重对称性，这与实验中观测到的二重对称不符。研究者将原因指向STO衬底本身的性质：纯净的STO在105K以上是立方钙钛矿结构，低于此温度会发生立方到四方的结构相变，伴随着面内旋转对称性的破缺，导致晶格常数满足a < b < c。局域扫描隧道显微镜表征显示这种旋转对称性破缺更为显著，并且在较宽范围的表面氧空位下，会导致主要沿[110]方向排列的弱单向电子态。由于混合电导可以表达为界面处电子态的自旋依赖反射和透射系数，而这些系数应与费米能级处的态密度成正比，因此观察到的二重对称各向异性g因子可能是由二维电子气中态密度的各向异性所诱导。同时，破缺的旋转对称性可能诱导Dresselhaus自旋-轨道耦合，Rashba与Dresselhaus项的相互作用也可能解释观测现象，但这需要进一步实验和理论验证。

值得注意的是，自旋泵浦测量在重金属/铁磁双层中的一个标志是与单一铁磁层相比吉尔伯特阻尼值的增强。理论上，如果自旋汇在费米能级具有各向异性的电子织构，应同时观察到各向异性的阻尼和各向异性的g因子。然而，本实验结果表明在测量精度内，阻尼几乎是各向同性且与栅压无关。一个可能的原因是轨道泵浦的共存。先前研究表明AlO_x/STO二维电子气的自旋磁矩远小于轨道磁矩，这导致来自Py自旋角动量损失的阻尼增强较小，且对栅压不敏感。此外，Py中相对较小的轨道-自旋磁化比限制了流向二维电子气的轨道流，减少了轨道泵浦对阻尼的贡献。

本工作首次在铁磁共振泵浦实验中清晰地展示了旋磁比的调制。该效应虽早有理论预言，但实验探测一直缺失。研究发现，g因子的各向异性调制源于自旋泵浦存在于各向异性电子分布的环境中。铁磁共振实验中旋磁比的调制突显了其作为探测铁磁/二维电子气系统中混合电导虚部探针的潜力。这种调制不仅限于自旋-电荷和轨道-电荷转换过程，它们的逆过程，即电流诱导的角动量积累，同样可能导致g因子和磁性的调制。这些发现弥合了理论与实验之间的关键空白，为在自旋和轨道电子器件中操纵磁性特性提供了新的途径。