综述：铁磁与反铁磁太赫兹自旋电流在Co/NiO/Pt多层结构中的相互作用

这篇综述系统研究了Co/NiO/Pt多层结构中太赫兹（THz）自旋电流的传输特性，揭示了铁磁（FM）与反铁磁（AFM）自旋电流的协同作用机制。通过调控NiO中间层厚度（1.6-4 nm），发现独特的FM-AFM对称性太赫兹发射，其源于Co层超快退磁产生的自旋流经NiO传输与NiO本征自旋流的叠加。研究还通过理论计算证实了Co-NiO交换耦合（exchange coupling）导致的自旋极化方向偏移，为自旋电子学（spintronics）器件设计提供了新思路。

　　

引言

自旋电子学已突破传统铁磁材料的局限，开始利用反铁磁材料零净磁化、无杂散场和超快磁动力学响应的特性。镍氧化物（NiO）作为典型反铁磁材料，具有NaCl型立方晶体结构和高于室温的奈尔温度（T_N=523 K），是研究"纯净"自旋电流的理想平台。本文通过太赫兹时域光谱技术，揭示了Co/NiO/Pt多层结构中铁磁与反铁磁自旋电流的协同效应。

材料与方法

实验采用脉冲激光沉积（PLD）和高真空磁控溅射制备Pt(4 nm)/NiO(t nm)/Co(2.5 nm)多层结构，NiO厚度在1-15 nm间调控。X射线衍射（XRD）证实了MgO(111)//Pt(111)/NiO(111)的外延生长结构。太赫兹发射测量使用35 fs脉宽的钛蓝宝石激光器，通过电光采样检测ZnTe晶体中的太赫兹电场。

结果与讨论

当NiO厚度处于1.6-4 nm区间时，太赫兹振幅呈现独特的FM-AFM混合对称性。这种特征源于两个自旋电流的叠加：一是Co层产生并经NiO传输的自旋流（J_FM^s），二是NiO本征产生的自旋流（J_AFM^s），两者通过逆自旋霍尔效应（ISHE）在Pt层转换为太赫兹辐射。值得注意的是，当NiO厚度增至3.4 nm时，实验观察到与理想FM-AFM对称性的微小偏差，理论模拟表明这是由于Co-NiO交换耦合导致的自旋极化方向偏移。

磁性测量显示，NiO厚度超过4 nm时，太赫兹发射完全呈现反铁磁特性，说明NiO中自旋扩散长度约为4 nm。宏观自旋模型计算进一步揭示，Co磁化矢量在交换耦合场（H_coupling≈100 mT）作用下会偏离外磁场方向，形成"腰型"磁场依赖曲线，这与实验数据高度吻合。

结论

该研究首次在太赫兹频段观测到FM/AFM异质结中自旋流的协同传输，明确了NiO作为自旋传输介质的临界厚度效应。发现交换耦合对自旋极化方向的调制作用，为设计基于反铁磁材料的自旋电子器件提供了重要参考。未来可通过调控界面交换作用进一步优化太赫兹发射效率，推动超快自旋器件的发展。