金属多层膜中自旋流的耗散理论

自旋流的输运与耗散是自旋电子学的核心问题之一。与基尔霍夫定律描述的电流守恒不同，自旋极化的电流或纯自旋流会在所谓自旋扩散长度的空间尺度上逐步失去极化，导致自旋流的效应较难被观测到。例如直到插入两个铁磁薄膜的非磁层厚度达到自旋扩散长度的量级时，巨磁阻效应才得以被实验发现。尽管自旋流的耗散源于自旋轨道耦合，但在系统研究了5d过渡金属材料之后，我们发现在电-声子作用主导的散射机制下，自旋扩散长度与自旋轨道耦合的强度并没有直接关联，而费米面态密度起到了决定性作用。同时我们也发现自旋霍尔角与自旋扩散长度之间存在显著的关联。在金属多层膜的界面处，自旋流往往存在明显的不连续意味着界面散射导致的自旋流耗散，通常使用自旋记忆损失来表征。我们严格计算了自旋电子学研究中常见的非磁-非磁和非磁-铁磁界面，发现前者的自旋记忆损失具有类似Elliott-Yafet耗散机制的特征，而后者对有限温度下的自旋涨落较为敏感。如果在铁磁金属和非磁金属铂之间插入铜，尽管可以避免磁近邻作用，但会从总体上降低自旋流的注入效率。