CoMnSi 薄膜中非常规声驱动铁磁共振

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Unconventional acoustic-driven ferromagnetic resonance in CoMnSi thin films

　　磁子-声子相干耦合是实现自旋与声子信息相互转换的重要物理途径。然而，非均匀磁结构的磁系统与表面声波（SAW）之间的耦合机制仍需进一步研究。在本工作中，我们实验研究了Ta/CoMnSi/MgO/LiNbO?异质结构中由SAW驱动的 ferromagnetic resonance（SAW-FMR）特性。观察到了一种非常规的SAW-FMR谱，其共振场的角依赖关系与传统磁弹耦合的蝶形行为存在显著差异。我们认为这一异常现象可能源于两步磁化过程，归因于晶态相与非晶态相的共存。此外，我们证明当SAW沿相同波矢方向传播时，SAW吸收强度明显表现出磁场不对称性，并且在施加磁场的特定角度下观测到100%的磁场不对称性。同时，器件的非互易性非常小。本研究进一步揭示了具有多磁结构的磁系统中复杂磁化过程对SAW-FMR的调控机制。磁子与声子之间的相干耦合构成了构建混合量子系统的基本基础，包括表面声波（SAW）电子学、磁子学和传感器技术。由此产生的多功能性，包括非互易传输、自旋泵浦和磁化翻转，在信息转换和处理方面具有巨大潜力。在众多实现磁声耦合的平台中，基于压电基底的SAW器件（如铌酸锂，LiNbO?）因其有望在室温下实现高效磁声转换而备受关注。此类结构制造相对简单，且在微波频率测量中表现出显著的磁子-声子耦合。早期对Ni/LiNbO?等混合器件的研究表明，SAW瑞利模式与自旋波之间的磁弹耦合强度与sin 2φh成正比（其中φh为SAW传播方向与外加磁场之间的夹角），在φh = 45°时达到最大值。这一发现为理解磁声耦合奠定了基础。然而，随后的实验开始观察到偏离这一简单模型的现象。例如，一些研究发现最大耦合角偏离45°，发生在φh = 30°附近。研究人员认识到这一偏离源于磁性薄膜沉积在LiNbO?上时产生的附加磁各向异性，来自于基底诱导应变和界面效应。同时，对CoFeB薄膜的研究发现，SAW能量吸收意外地表现出二重对称性，表明即使微弱的单轴各向异性也能对共振的对称性产生显著影响。近期研究指出，在LiNbO?基系统中各向异性起着更为复杂的作用，相关研究工作也有报道，在具有非平行各向异性轴的磁性双层结构中观察到SAW损耗角依赖性的各种复杂模式。各向异性场本质上决定了不同方向上的磁化过程。因此，控制磁化过程也可以影响磁子-声子耦合的磁场角依赖性。作为一种物理内涵丰富的磁性材料，CoMnSi合金以其大的自旋极化率和低阻尼特性，是适用于自旋电子器件的优秀磁系统。由于CoMnSi合金的磁性能高度依赖于原子有序度和微观结构，该材料在特定条件下可能表现出复杂的磁各向异性甚至发生相分离。这为SAW-FMR的研究和应用带来了新的机遇和挑战。然而，迄今为止，对CoMnSi合金薄膜SAW-FMR行为的研究仍属空白。基于上述背景，本工作系统研究了具有两步磁化过程的CoMnSi合金薄膜的SAW-FMR行为。采用矢量网络分析仪（VNA）实时探测SAW激励下的磁化动力学。实验发现，器件在φ = 90°附近的SAW-FMR谱中表现出显著的异常吸收，该处的共振场几乎不变，且吸收强度偏离传统单轴各向异性模型的预期。我们认为这一异常现象可能源于两步磁化过程，归因于晶态相与非晶态相的共存。沿硬磁化轴，归因于晶态相的第二次翻转导致磁声耦合等效场在特定磁场角范围内保持恒定。此外，观察到在该异常共振区域内，SAW传输仍然表现出与传统系统一致的磁场不对称性。我们的发现揭示了复杂磁化翻转过程对SAW-FMR耦合的独特影响机制，为基于CoMnSi合金的多相自旋声子器件的理解和调控提供了新视角。实验中，首先在128° Y切LiNbO?基底上以室温沉积Ta (3 nm)/CoMnSi (50 nm)/MgO (10 nm)薄膜。然后将样品在真空退火炉中于400°C退火60分钟。顶层Ta作为覆盖层以防止CoMnSi在空气中氧化，MgO用作缓冲层。最后，通过无掩模光刻和离子束刻蚀工艺将退火后的连续薄膜加工成SAW器件，如图1所示。为了研究具有两步磁化过程的磁性薄膜的SAW-FMR共振谱特性，我们使用VNA在7次谐波频率（1.37 GHz）下测量了器件的传输参数S??和S??。测量过程中，外加磁场H从200 Oe扫描到?200 Oe，φ范围从0°到180°，角间隔为5°。为了更直观地表征表面声波与磁之间的耦合……本工作系统研究了LiNbO?基底上相分离CoMnSi合金磁性薄膜的SAW-FMR行为，揭示了一种与常规磁弹耦合明显不同的非常规共振谱。结合XRD、VSM和MOKE分析阐明，薄膜由两种不同的磁相组成。这两种磁相的翻转场不同，且在……之前磁化强度M基本保持恒定。周晓龙：撰写—原稿，方法论，调查研究，数据整理。赵晨波：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，监督，资金获取，正式分析，概念化。詹德云：方法论。刘美红：方法论。薛江涛：调查研究。潘立姿：方法论。李怀东：方法论。魏金武：撰写—审阅与编辑，方法论。刘小熙：撰写—审阅与编辑，资金获取。王建波：监督。刘晴芳……作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。本工作受国家自然科学基金（编号12304144和12574121）、北京凝聚态物理国家实验室（2024BNLCMPKF013）、甘肃省杰出人才项目（编号2025RCXM085）和中央高校基础研究基金（编号lzujbky-2024-22、lzujbky-2024-jdzx03和lzujbky-2024-eyt01）资助。周晓龙 | 赵晨波 | 詹德云 | 刘美红 | 薛江涛 | 潘立姿 | 李怀东 | 魏金武 | 刘小熙 | 王建波 | 刘晴芳兰州大学物理科学与技术学院，教育部磁性材料与磁性功能材料重点实验室，中国兰州，730000