热自旋电子学亦称自旋卡诺电子学，作为自旋电子学的一个重要分支，因在微电子器件废热再利用等方面的应用前景而迅速兴起。其中，自旋塞贝克效应(SSE)、自旋依赖的塞贝克效应(SDSE)、反常能斯特效应(ANE)等与自旋相关热电效应，因其背后扑朔迷离的物理机制，而备受关注。Uchida等人[Nature 455 (2008) 778]首先在NiFe/Pt双层膜体系中报道了横向SSE。Kikkawa等人[Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 067207]和Qu等人[Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 067206]随后则在Au/YIG体系中报道了纵向SSE。这些研究均通过温度梯度将纯自旋流从铁磁体注入到重金属顺磁体中，再利用重金属的逆自旋霍尔效应(ISHE)而获得电压信号。那么通过SSE产生的纯自旋流，如果被注入到铁磁导体中，将会发生什么现象？铁磁金属是否也具有逆自旋霍尔效应？如果有，其是否与磁性金属的磁化方向相关？其自旋霍尔角能有多大？这些问题均需要实验来回答。而且相对于铁磁绝缘体/顺磁重金属体系，铁磁绝缘体/铁磁导体体系具有更复杂的磁化行为，更复杂多样的热电信号，如何从这些信号中甄别出单纯的自旋塞贝克效应则成为该实验的难点与焦点。
　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)--磁学国家重点实验室M02课题组韩秀峰研究员领导的研究团队，巧妙地采取交换偏置技术成功地将上述多种相互纠缠的信号分解到不同的磁场范围内，使得铁磁体SSE信号的甄别变得非常简单而直观。如图1(a)所示，该研究团队制备了YIG/Cu/NiFe/ IrMn/Ta的交换偏置结构。其中YIG(钇铁石榴石)是自旋流输出源。NiFe是自旋流的吸收端，可用于探测其逆自旋霍尔效应。IrMn用于交换偏置NiFe的磁化曲线，使其中心偏离0磁场。通过在A条或C条施加加热电流[图1(c)]，沿y方向施加磁场，则可以在B条沿x方向探测到电压信号[图1(d)]。此前，先测量了体系的平面霍尔效应以及各向异性磁电阻。这些信号只能唯一来源于NiFe，且分布于50 Oe～250 Oe的磁场区间[图1(e)和(f)]。相反，在0磁场附近还观察到一个电压信号[图1(d)]。这个信号与YIG的磁矩翻转有关，它只能来源于NiFe和YIG之间的SEE信号。甚至当同时在A条和C条之间施加加热电流，因面内温度梯度在B处抵消，NiFe的平面能斯特信号几乎消失，而与YIG相关的SSE信号则得到了增强[图1(g)]。因此基于这一交换偏置结构，成功地在YIG/磁性金属基体系测量到了纯净的自旋塞贝克效应，为后续开展铁磁性导体的自旋霍尔效应研究提供了一个非常理想的磁纳米异质结构体系。该结果已于近期发表在物理评论杂志上[Hao Wu, C. H. Wan, X. F. Han et al., Observation of pure inverse spin Hall effect in ferromagnetic metals via ferromagnetic/ antiferromagnetic exchange-bias structures, Phys. Rev. B 92 (2015) 054404].

图1. (a)样品截面高分辨透射电子显微图像；(b)自旋塞贝克效应的物理图像；(c)塞贝克效应测量布置；(d)热电信号测试结果；(e)样品的平面霍尔效应；(f)各向异性测电阻和(f)当分别在A条或C条或同时在A条和C条施加加热电流时，热电信号与磁场的关系。

　　针对热自旋电子学的研究热潮也复燃了人们对另一种古老自旋热电效应——反常能斯特效应的研究兴趣，不仅因为该效应也具备发电的能力，还因为这种效应往往会与其他自旋热效应发生纠缠与混淆，且其物理机制尚未被完全揭示。近些年国际上有很多有关反常能斯特效应的研究，都力图探明其背后的物理图像。Ramos等人[Phys. Rev. B 90 (2014) 054422]和Pu等人[Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 117208]分别研究了厚Fe₃O₄薄膜和Ga_1-xMn_xAs薄膜的反常能斯特系数、塞贝克系数与反常霍尔角三者之间的温度依赖关系，发现能斯特系数和塞贝克系数均满足莫特关系。Hesegawa等人[App. Phys. Lett. 106 (2015) 252405]通过对FePt、Co/Ni等垂直薄膜体系的研究发现：能斯特系数与磁各向异性能具有很高的正相关依赖特性。这些工作均暗示着反常能斯特系数和塞贝克系数、自旋轨道耦合效应之间蕴含着某种依赖关系。但这三者间的关系从未在同一材料体系中，特别是在自旋轨道耦合强度能被单调调控的体系中，被系统研究过。如果能找到这样一个体系，那该体系将会使得研究上述三种效应之间的内在深层次联系成为可能。
　　磁学国家重点实验室M02课题组韩秀峰研究员领导的研究团队，通过磁控溅射技术、紫外曝光与刻蚀等微纳加工方法、热输运有限元模拟以及热电输运性质测量等，系统地设计和研究了[Pt/Co]_n多层膜体系的反常能斯特系数、塞贝克系数和反常霍尔角(反映自旋轨道耦合强度的指标)以及三者之间的依赖关系。其中，在该体系中自旋轨道耦合强度可由界面数量单调地调制。换而言之，保持纳米多层膜异质结构以及Pt、Co的总厚度不变，降低每个周期单元(Pt/Co双层膜)的厚度来使周期数n增加，从而实现对自旋轨道耦合强度的增强调制。实验结果表明，反常能斯特系数随着多层膜体系界面数量的增加而单调增强(如图2所示)。特别是反常能斯特系数与反常霍尔角之间还存在高度的相关性、甚至是线性的依赖关系。这明确显示了两者共同的物理起源——自旋轨道耦合效应。
　　为了进一步分析反常能斯特系数与反常霍尔角的依赖关系，该研究团队在前人[Bauer et al, Nat. Mater. 11 (2012) 391]线性响应理论的基础之上，进一步推导出反常能斯特系数的具体形式。该理论模型表明：在磁性导体中并在开路条件下，沿温度梯度方向不仅存在通常测量的塞贝克电压，还存在纯的自旋流。该自旋流的大小正比于|P-P_T|，其中P和P_T分别是电导率σ与热电电导率σS (S是塞贝克系数)的自旋极化度。该自旋流进一步被铁磁导体中的逆自旋霍尔效应转换成横向的电流信号，并最终以反常能斯特电压的形式被探测到。反常能斯特系数因此与塞贝克系数、反常霍尔角之间满足公式(1)。该公式首次定量描述了这三个基本物理量之间的内在联系。这三个参数之间的系数与材料本征的一些特性，如P、P_T以及P_θ (自旋霍尔角在铁磁体中的自旋极化度)有关。上述规律在其他薄膜体系也得到了实验验证，如在Co/Pt、CoFeB/Pt等薄膜体系中的实验结果也遵循上述规律，这充分反映了这一规律在铁磁导体中的普适性。

η=(P-P_T)/(P+P_θ)θ_HS/μ₀M₀(1)

　　该工作不仅显示了一种增强材料反常能斯特效应的方法：即利用磁性金属与非磁性重金属一起构成纳米多层膜——超晶格，并且还在单一材料体系中首次表明了反常能斯特系数与反常霍尔角之间存在着线性的相互依赖关系。这一关系表明了反常能斯特效应是自旋相关塞贝克效应与逆自旋霍尔效应在铁磁导体中的叠加。该工作还给出了进一步寻找巨大能斯特系数的思路——在具备大的塞贝克系数以及自旋轨道耦合强度的铁磁体中可能获得巨大的反常能斯特效应。相关研究结果已于近期发表在物理评论杂志上[Chi Fang, C. H. Wan, X.F. Han et al., Scaling relation between anomalous Nernst and Hall effect in [Pt/Co]n multilayers, Phys. Rev. B 93 (2016) 054420]。

图2. (a) 反常能斯特电压VN与z轴磁场的依赖关系；(b)VN与角度的依赖关系；(c)VN与加热功率ω的依赖关系；(d) 反常能斯特系数(vN≡dVN/dω)与Pt/Co界面数量的依赖关系(左panel)和(vN/θH)与界面数量的关系(右panel)。插图中显示了vN与反常霍尔角θH之间的标度关系。当n<6时，两者呈现很好的线性关系。

　　上述工作分别表明了自旋塞贝克效应与自旋相关塞贝克效应的存在，还共同证明了在铁磁金属中存在着较大的逆自旋霍尔效应，并且还表明反常能斯特效应是自旋相关塞贝克效应与逆自旋霍尔效应在铁磁导体中叠加的这一物理本质。
　　上述研究工作获得了国家自然科学基金委、科技部和科学院先导B项目等基金的资助。