源自雜質散射和拓撲自旋結構的反?；魻栃?pdf

1、近年來，自旋電子學的蓬勃發(fā)展要求人們對自旋相關的輸運現象有更徹底的理解，使得諸如反?；魻栃乳L年懸而未決的問題吸引了越來越廣泛的關注。理論上，反?；魻栃腥N可能的起源，其中包括了基于雜質散射的外稟機制和源自k空間中的貝利相位的內稟機制。而在實驗上觀察到的現象到底應該歸結為哪一種或幾種機制，是一個爭論了半個多世紀而尚未得到徹底解決的問題。然而，解決反?；魻栃@一難題的意義卻超越了其本身。反?；魻栃途w中的普遍存在的自旋軌道耦合

2、息息相關，一些近十年來發(fā)現的新的自旋電子學現象如自旋霍爾效應，其機理亦跳不出反?；魻栃娜N機制。
　　反?；魻栃€在一些具有新奇的拓撲自旋結構的體系中被發(fā)現。最近兩三年以來一些有著拓撲學上非平庸的磁構型的材料逐漸成為磁學界的研究熱點。其中極具代表性的是B20型過渡金屬硅化物和鍺化物中發(fā)現的skyrmion磁結構。這種磁結構因其與高能物理中核子模型的類比而得名，組成一個單位結構的自旋指向空間中的所有方向而包成球狀。這種磁構型不

3、但新穎，且存在潛在的應用價值。其數十納米量級的結構周期使得該類材料有被應用于高密度磁存儲技術的希望，而這種磁結構本身對電流和自旋流的奇特響應，例如可以被極小的電流密度所驅動，更使其有希望被用于下一代低能耗自旋電子學器件。在skyrmion磁結構中，由于磁矩在空間中緩慢變化，運動于其中的電子將感受到相應的勢場而積累實空間中的貝利相位并產生反?；魻栃c作用與k空間的內稟機制類似。由于其拓撲學上的來源又稱為拓撲霍爾效應。研究并理解這一現象

4、不但對理解輸運現象中的貝利相位有幫助，而且可以作為對skyrmion磁結構的探測手段，以期在不遠的將來實現“skyrmionics”。
　　在上述背景下，本論文將致力于從實驗角度解決如下三個問題:
　　1.作為反?；魻栃耐夥A機制的side jump，因其與縱向電阻率的平方成正比的標度關系和內稟機制一致，使得從實驗上分離兩者極為困難。近年來在理論和實驗上的突破使得人們對于內稟機制有了比較深刻的理解，然而對side jump

5、的理解，出于上述障礙，仍然相當地欠缺，甚至連其在實際體系中存在與否都不清楚。我們對順磁鎳銅合金薄膜中的反?；魻栃M行了研究，并發(fā)現了存在與縱向電阻率成平方關系的二次項貢獻。由于內稟機制的貢獻需要體系具有鐵磁性，因而我們在順磁體系中觀察到的二次項可以毫無疑問地歸結為side jump機制，并可以給出其具體定量的數值。我們還通過研究其溫度關系闡明了side jump正確的標度關系，發(fā)現sidejump只與低溫下的彈性雜質散射有關，而與有限

6、溫度下聲子產生的非彈性散射無關。
　　2.在可以形成skyrmion的以MnSi為代表的B20結構化合物中，人們發(fā)現在薄膜材料中skyrmion相遠比在體材料中穩(wěn)定。此外，薄膜材料在器件制備方面有著體材料無法比擬的優(yōu)勢。因此無論從基礎研究的角度還是應用的角度，人們都更希望能在外延生長的薄膜材料中得到skyrmion磁結構。我們在Si(111)襯底上成功外延生長出高質量的MnSi薄膜，并使用洛倫茲電鏡觀察到了其中形成的skyrmio

7、n磁結構。我們的實驗證實了外延薄膜中的skyrmion相比在體材料中更加穩(wěn)定。
　　3.我們進一步研究了MnSi外延薄膜的輸運性質。我們發(fā)現在磁矩被外場飽和之后MnSi中的反?；魻栃蓅kew scattering和內稟機制貢獻，而不像如此前他人的研究工作所聲稱的僅僅存在內稟機制。在理解了反?；魻栃幕A上我們進一步研究了由于skyrmion磁結構的形成而產生的額外的反常霍爾效應——拓撲霍爾效應，并在正的拓撲霍爾電阻率ρTyx