本文介绍了磁性阻尼在自旋动力学中的重要性，以及中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室M04成昭华研究员课题组在铁磁/非磁异质结体系自旋动力学方面的研究成果。重点阐述了在Fe/α-GeTe异质结中，表面电子态对阻尼因子的影响，以及如何利用能带工程调控磁阻尼因子的可能性。同时，通过实验结果和理论计算，阐述了杂化能带结构对磁阻尼因子的影响。
磁性阻尼是表征电子能量及动量向晶格弛豫的过程的快慢，对磁化翻转时间和临界电流密度有决定性作用。理解和控制磁性材料的阻尼因子对基础研究和自旋电子学器件的设计至关重要。
成昭华研究员课题组在铁磁/非磁异质结体系自旋动力学方面进行了长期研究，通过一系列实验和理论计算，发现表面电子态对阻尼因子有重要影响，并揭示了杂化能带结构对磁阻尼因子的影响。
在铁磁/GeTe异质结中，表面态可能影响铁磁层的自旋动力学特性，包括阻尼因子的大小和变化。这项研究对于理解自旋电子学器件的特性和性能具有重要意义。
通过Bi元素的掺杂改变GeTe的费米能级，观察到阻尼因子随着Bi掺杂含量的变化而变化。实验结果显示，在Bi掺杂为3at%时，阻尼因子达到最大。结合第一性原理计算，发现GeTe表面态与Fe的能带存在强烈杂化，导致阻尼因子的增强。
磁性阻尼是自旋动力学中一个非常重要的参数，它表征电子能量及动量向晶格弛豫的过程的快慢，决定了磁化翻转时间和临界电流密度。理解和控制磁性材料的阻尼因子对基础研究和自旋电子学器件的设计至关重要。内禀阻尼因子与自旋-轨道耦合强度、费米面处的态密度以及动量散射时间有关。而在铁磁/非磁材料异质结的体系中，拓扑绝缘体表面态以及Rashba界面成为改变阻尼因子的另一影响因素。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M04成昭华研究员课题组长期致力于铁磁/非磁异质结体系自旋动力学方面的研究。在先期的工作中，他们通过角分辨光电子能谱（ARPES）测量结果显示α-GeTe同时具有表面和体Rashba能带结构，其体Rashba系数可至~4.8eVÅ，对应的自旋劈裂能高达~2300KBT，随着薄膜厚度的降低，建立了体Rashba系数与厚度的标度律，解释其中Rashba效应产生的原因[Xu Yang et al., Nano Lett. 21, 77–83(2021)]。基于二次谐波探测技术，在α-GeTe中探测到可达室温的非互易输运行为[Yan Li et al., Nat. Commun. 12, 540 (2021)],在铁磁/GeTe异质结中首次发现体Rashba能带带来的非局域各向异性阻尼因子[Xu Yang et al., Phys. Rev. Lett. 131,186703 (2023)]，但铁电半导体α-GeTe的表面态对相邻铁磁层的自旋动力学影响尚不清楚。
最近，他们再次与中山大学侯玉升副教授合作，系统研究了Fe/α-GeTe异质结中的表面电子态对阻尼因子的影响。他们利用超高真空分子束外延系统，生长Fe与GeTe的异质结，通过Bi元素的掺杂改变GeTe的费米能级。结合原位的角分辨光电子能谱，观察到GeTe的费米能级随着Bi含量的增加而刚性移动：Bi元素只提供电子掺杂，影响费米能级位置不改变体Rashba和表面Rashba劈裂大小（图(a)-(f)）。利用铁磁共振技术，对掺杂体系的阻尼因子进行探索（测试构型图(h)），由于体态会向更深的结合能方向移动，因此可以预计自旋泵浦效应会导致磁阻尼因子随着Bi掺杂的增大而减小。与预测相反，他们发现体系的阻尼因子在掺杂Bi为3at%时达到最大（图(i)），此时费米能级恰好穿过GeTe表面Rashba态的交点。结合第一性原理计算，他们发现GeTe表面态与Fe的能带存在强烈杂化，使得阻尼因子大幅度增强，并呈现出费米能级位置依赖的特性（图(j)）。同时，第一性原理计算结果表明，能带杂化导致的阻尼因子与杂化能带上GeTe 的态密度成正比（图(j)）。这项工作阐述了杂化能带结构对磁阻尼因子的影响，并为提出利用能带工程调控磁阻尼因子的可能性。
图1. 能带调控Fe/α-GeTe异质结中阻尼因子 (a)-(d)为不同Bi掺杂含量的ARPES结果；(e)，(f)为表面态和体态的Rashba劈裂大小；(h)为异质结体系的铁磁共振测量示意图；(i)实验得到的阻尼因子与Bi掺杂含量的关系；(j)理论计算的阻尼因子与杂化能带的态密度。
相关工作发表在Advanced Science 2411798，2024。杨旭和中山大学李家万为论文的第一作者，成昭华和中山大学侯玉升为共同通讯作者。该项研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院的大力资助。
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