Direct demonstration of time-reversal-symmetry-breaking spin injection from a compensated magnet

技术摘要：补偿磁体中打破时间反演对称性的自旋注入的直接演示

问题与背景
自旋电流的注入、传播和检测是自旋电子学的基石。历史上，这些过程主要依赖于两种机制：通过净磁化强度（$M \neq 0$）打破时间反演（$T$）对称性的铁磁自旋注入，以及依赖于 $T$ 对称自旋轨道耦合的相对论性自旋霍尔注入。虽然近期的理论和实验工作已经证实，补偿磁体（$M=0$）可以表现出类似于铁磁体的破缺 $T$ 对称性响应（如反常霍尔效应），但从这类材料向非磁性通道进行 $T$ 对称性破缺自旋注入的直接演示仍未得到证实。具体而言，目前尚不清楚补偿磁体能否产生一种受其磁态控制且有别于相对论性自旋霍尔效应的自旋电流。

方法论
作者采用横向自旋阀（LSV）几何结构来探测非局域自旋传输。该器件包含：

1. 材料： 一层 15 纳米厚的外延 $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 薄膜（一种内奈尔温度 $T_N \approx 240$ K 的补偿磁体）生长在 Si(111) 基底上，作为自旋注入器。参考器件使用铁磁性坡莫合金（$\text{Ni}_{0.8}\text{Fe}_{0.2}$，Py）作为注入器。
2. 几何结构： 两个器件均具有一个横向非磁性铜（Cu）通道（宽 120 nm），连接注入器和 Py 检测电极。边缘间距为 300 nm。
3. 偏置几何结构： 研究利用了两种不同的电偏置配置来区分注入机制：
   • 几何结构 1： 偏置施加在注入器/通道界面处（纵向漂移）。
   • 几何结构 2： 偏置施加在注入器电极沿线方向（横向类自旋霍尔配置）。
4. 测量： 通过测量非局域电阻（$R_{NL}$）来检测 Cu 通道中的自旋积累。$\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 注入器的磁态通过在同一芯片上制造的专用霍尔交叉结构进行的异常霍尔效应（AHE）测量进行表征。此外，还进行了第一性原理计算，以模拟交替磁相的自旋分辨费米面和电导率张量。

核心贡献与结果
本文首次直接观察到从补偿磁体（$\text{Mn}_5\text{Si}_3$）中进行的 $T$ 对称性破缺自旋注入。

• 补偿磁体中的 $T$ 对称性破缺： 与参考用的 Py 注入器不同，在第二种偏置几何结构中，Py 的注入是 $T$ 对称的（依赖于自旋霍尔效应），而 $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 注入器在两种偏置几何结构中均表现出 $T$ 对称性破缺行为。在 $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 的两个时间反演磁态之间切换会导致检测到的非局域自旋信号（$R_{NL}$）符号的反转。
• 跨偏置几何结构的普适性： $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 注入器的自旋信号幅度和切换模式在两种偏置几何结构中均相似。这与铁磁参考器件形成鲜明对比，在后者中，第二种几何结构下的信号显著减弱且具有 $T$ 对称性。这表明 $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 中存在一种共同的、内禀的自旋产生机制，该机制独立于特定的偏置方向。
• 微观起源（交替磁性）： 结果归因于 $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 的共线交替磁序。第一性原理计算表明，交替磁相具有 $d$ 波分裂的费米面，将其分裂为独立的、守恒的自旋向上和自旋向下通道。这种对称性破缺允许自旋相关电导率的存在，使得两个自旋通道中的电流具有不同的量级和传播角度。
  • 在第一种偏置几何结构中，注入的自旋电流主要源于这种自旋相关漂移的纵向分量。
  • 在第二种偏置几何结构中，注入源于自旋电流的横向分量。
  • 计算预测两种几何结构的自旋极化率分别约为 10% 和 6.5%，这与实验观测到的相当的信号幅值一致。
• 注入界面： 通过在 $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 电极顶表面使用 $\text{SiO}_2$ 势垒进行的对照实验确认，自旋注入主要通过 $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 与 Cu 通道的垂直侧边界面发生，而非通过顶面界面。这与交替磁序参数的面内特性相符。
• AHE 相关性： 残余 AHE 测量证实了 $\text{Mn}_5\text{Si}_3$ 注入器在时间反演态之间的切换，将霍尔信号的反转与非局域自旋信号的反转联系起来。

意义
该论文声称这些结果展示了一种本质上不同的自旋注入现象学。所观察到的效应具有以下特征：

1. 区别于铁磁注入： 它发生在净磁化强度为零的材料中。
2. 区别于相对论性自旋霍尔注入： 它是 $T$ 对称性破缺且受注入器磁态控制的，而自旋霍尔效应是 $T$ 对称的。

作者得出结论，补偿交替磁体可以通过非相对论机制产生并控制自旋电流，这为不受净磁化强度约束的自旋电子学功能提供了新的途径。这项工作验证了交替磁性的理论框架，特别是存在于补偿磁序中守恒且自旋极化的传输通道。