用相场方法研究纳米自旋振荡器取得重要进展——记北京科学技术大学马星桥教授

2015-08-20

随着对巨磁电阻（GMR）现象的研究，，使利用电子的自旋特性来拓展器件的新功能成为可能，由此诞生了一门新的学科——自旋电子学。在对自旋电子学规律的研究中，人们认识到磁性薄膜的磁矩和流过它的传导电子的自旋之间可以发生相互作用，磁矩将作用一个力矩到传导电子的自旋上，使其改变方向。1996年，出于对牛顿第三定律的深刻理解，Slonczewski和Berger理论研究表明自旋极化电流通过纳米尺度的铁磁薄膜或金属磁性多层膜中时,极化电流与多层膜中的散射会带来由极化电子到铁磁薄膜磁矩的自旋角动量转移，从而对铁磁薄膜的磁矩产生自旋矩，使铁磁薄膜磁矩的处于不平衡状态，从而可能发生磁矩的转动，进动甚至是磁化方向翻转，并把这种现象称为自旋转矩（spin transfer torque, STT）效应。这一理论随后多年在磁纳米线、自旋阀纳米柱、纳米点接触以及磁隧道结等结构中获得广泛的实验验证。基于STT效应的电流诱导磁化相关的新技术和新型纳米器件的研发成为自旋电子学的另一个发展高潮。另一方面，STT 效应在微波电子学领域，利用自旋极化电流导致纳米磁体磁矩的进动进而产生微波振荡输出可制备微波振荡器，这种由直流驱动纳米尺度的微波振荡器是一种全新的自旋电子器件，被称为自旋转矩纳米振荡器。纳米自旋振荡器不仅尺寸小，结构简单，理论上具有极高的磁场灵敏度，且其工作在GHz波段，在移动通信，雷达探测及其它微弱电磁场探测等方面具有潜在的重大应用价值。

中国在这方面的研究虽然起步较晚，但取得了重要进展，北京科技大学物理学教授马星桥，钟情该项技术，潜心研究数多年，用相场方法研究纳米自旋振荡器取得重大进展。2006年，北京科技大学马星桥教授课题组与国际著名相场专家、美国宾州州立大学的陈龙庆教授合作，用相场方法研究了电流驱动纳米自旋阀的磁矩翻转和进动模式，开发了相应的计算程序。对自旋阀纳米振荡器的进动模式与外界条件的关系进行了研究。他们设计了一种实现OPP进动的模式，可使功率密度提高几十倍。苏州纳米所的曾忠明研究员独立的在实验上实现了OPP进动。当前，他们开发的程序，可以对磁场，电场，应力场及极化电流对自旋进动频率及模式的影响进行模拟，并可模拟多铁性材料，得到磁畴，电畴及马氏体孪晶等微观结构的时间演化和材料的宏观物理性质。可用于研究STT及其它方式驱动的MRAM及STNO等自旋电子学器件的规律和机理，现在这项研究仍在深入进行中。

相场方法是一种起源于朗道相变理论的动力学方法，它对研究相变过程及介观尺度的微观组织形貌和畴结构的研究十分有效，现已经被广泛应用于各种与工程技术相关的模拟之中，如合金凝固、晶粒长大、第二项析出形貌、位错分布、畴的形貌、马氏体相变过程、自旋动力学、燃料电池等，特别是，它可以同时得到电畴，磁畴和马氏体畴在外电场、外磁场和应力场下的时间演化。在磁学及自旋电子学领域，相场方法与传统的微磁学方法相比具有如下特色：它在磁畴及磁化动力学模拟中与微磁学相同，但在模拟电场及应力场对磁畴的影响时，微磁学则无能为力。因此，相场方法在模拟多铁性材料方面独具优势。纳米振荡器的调制可采用加电场和应力场的方法，并且，已有采用多铁材料进行调制的报道。另外，由于它是一种纳米尺度的模拟方法，可以和电子及和原子尺度以及宏观尺度的计算方法构成多尺度计算，并可编写高通量的并行计算程序。所以，相场方法是最佳方法，有可能编写出可用于器件设计的实用软件。

马星桥教授和陈龙庆教授合作，共同承担国家自然科学基金杰出青年海外合作基金及国家自然科学基金面上项目，用相场方法研究过多铁性材料－铁磁性形状记忆合金Ni₂MnGa的赝弹性和伪塑性，建立了磁场驱动马氏体相变材料NiCoMnIn哈斯勒合金的相场模型，该模型可以模拟磁场驱动下反铁磁马氏体到铁磁性奥氏体的转变，NiCoMnIn被认为是有望用于磁致冷的候选材料。并用第一性原理讨论了NiCoMnIn合金的相变稳定性。马星桥进行了大量的关于电流驱动纳米自旋阀动力学的相场及微磁学研究，发展了相应的多场耦合的计算软件，研究了电流驱动磁化翻转及进动的规律，并讨论了基底应力的影响。他曾参加2011年在法国举办的关于纳米自旋振荡器的国际研讨会：Spin Master Voice Workshop，--“Challenges and Opportunities of Spin-Transfer Nano-Oscillators”。他对铁电薄膜及铁电超晶格及纳米线进行过研究，并用分子动力学方法对铁中应力腐蚀及位错运动进行了研究。

马星桥是北京市精品课程《大学物理》的课程负责人，曾获宝钢教育奖－优秀教师奖、北京市教学名师奖，享受政府特殊津贴。2012年，北京科技大学以物理系教师为主，申请了北京市弱磁检测及应用工程中心并获得批准。与中科院半导体所合办“黄昆班”，培养半导体领域高水平人才。同年，马星桥在北京科技大学组织并主持了“2012多尺度材料模拟计算国际研讨会”，会上22位专家所做报告涵盖了各主流研究方法的前沿成果，共350人参加会议，该会议促进了计算材料学的国际交流。马星桥课题组期望今后能在纳米自旋振荡器，自旋动力学及输运研究，多铁性材料性质研究，相场模拟的方法学方面做出更深入的工作。

专家简介

马星桥，1982年毕业于北京科技大学物理系专业，毕业后留校任教。1986年获得北京科技大学和中科院物理所磁学室联合培养硕士学位。2003年，获香港理工大学博士学位。主要从事相场方法，多尺度计算方法及磁学实验研究。与陈龙庆教授合作，获得国家自然科学基金杰出青年海外合作基金。曾获得宝钢教育奖-优秀教师奖，北京市教学名师奖，国务院政府特殊津贴。他曾长期起担任物理系副主任，主管教学工作，2011年起任物理系主任。