[論文レビュー] A Gate-tunable Polarized Phase of Two-Dimensional Electrons at the LaAlO3/SrTiO3 Interface

Arjun Joshua, Jonathan Ruhman+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2012

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、平面内磁気抵抗および異常ホール効果測定を用いて、LaAlO3/SrTiO3界面における2次元電子系で、ゲート電圧で制御可能なスピン偏光状態を実証した。臨界磁場に依存する転移が観測され、電子密度に依存する閾値以下ではスピン偏光および異方性が急激に消失する。これは、移動電子と内部局在磁気モーメントとの間で強い対称性依存性を持つ結合が存在することを示唆している。

ABSTRACT

Controlling the coupling between localized spins and itinerant electrons can lead to exotic magnetic states. A novel system featuring local magnetic moments and extended 2D electrons is the interface between LaAlO3 and SrTiO3. The magnetism of the interface, however, was observed to be insensitive to the presence of these electrons and is believed to arise solely from extrinsic sources like oxygen vacancies and strain. Here we show the existence of unconventional electronic phases in the LaAlO3/SrTiO3 system pointing to an underlying tunable coupling between itinerant electrons and localized moments. Using anisotropic magnetoresistance and anomalous Hall effect measurements in a unique in-plane configuration, we identify two distinct phases in the space of carrier density and magnetic field. At high densities and fields, the electronic system is strongly polarized and shows a response, which is highly anisotropic along the crystalline directions. Surprisingly, below a density-dependent critical field, the polarization and anisotropy vanish whereas the resistivity sharply rises. The unprecedented vanishing of the easy axes below a critical field is in sharp contrast with other coupled magnetic systems and indicates strong coupling with the moments that depends on the symmetry of the itinerant electrons. The observed interplay between the two phases indicates the nature of magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 interface as both having an intrinsic origin and being tunable.

研究の動機と目的

• LaAlO3/SrTiO3界面における磁性の起源を解明すること、特にそれが内在的か外在的要因由来かを特定すること。
• ゲート電圧を用いた電気的チューニングが、移動電子と局在磁気モーメントの相互作用に及ぼす影響を同定すること。
• 電子密度および磁場が、異常な輸送特性を示す非従来的電子相を駆動する役割を解明すること。
• 観測された磁性が内在的か、酸素空孔などの不純物由来かという長年の議論を解決すること。
• スピン偏光および結晶的異方性が臨界磁場以下で消失する、新たな相転移の特定と特性評価

提案手法

• スピン偏光および磁気的異方性をプローブするため、平面内異方性磁気抵抗および異常ホール効果測定を実施した。
• 2次元電子密度を広範囲にわたってチューニング可能なデュアルゲートフィールド効果デバイス構造を用いた。
• 結晶方位（x軸およびy軸）に沿った異なる方向への磁場印加により、応答を測定した。
• キャリア密度と磁場の空間において位相図をマッピングし、明確に区別できる電子相を特定した。
• 抵抗率およびホール応答の磁場および密度依存性を分析し、スピン偏光および対称性の破れの兆候を検出した。
• 移動電子と局在モーメントのカップリングを記述する理論モデルと実験結果を比較し、磁性の起源を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaAlO3/SrTiO3界面における磁性は、ゲート電圧によってチューニング可能であり、移動電子と局在磁気モーメントの間の制御可能な結合を示唆するか？
• RQ2 臨界磁場以下で観測された相転移の性質は何か？なぜスピン偏光が急激に消失するのか？
• RQ3 輸送特性における観測された異方性は、SrTiO3基板の結晶対称性と関連しているか？
• RQ4 臨界磁場以下でスピン偏光および異方性が抑制される現象は、局在磁気モーメントとの強い対称性依存性結合を示唆するか？
• RQ5 観測された挙動は、酸素空孔などの外在的不純物ではなく、内在的磁気モーメントによって説明可能か？

主な発見

• 高キャリア密度および高磁場領域で、ゲート電圧で制御可能な強力なスピン偏光状態が特定され、結晶方位に沿った強い異方性を示した。
• 電子密度に依存する臨界磁場以下では、スピン偏光および異方性が急激に消失するが、抵抗率は著しく増加する。
• 臨界磁場以下で容易軸が消失する現象は、これまでに例のないものであり、移動電子と局在モーメントとの間で強い対称性依存性結合が存在することを示唆している。
• 観測された挙動は、酸素空孔や歪みなどの外在的要因とは整合せず、内在的磁性起源を示唆している。
• この転移はキャリア密度および磁場に強く依存しており、発現的磁性秩序を示すチューナブルな電子相であることが示された。
• 本研究の結果は、LaAlO3/SrTiO3界面における磁性が、内在的であるだけでなく、静電的ゲーティングによって制御可能であることを示しており、スピントロニクス応用への新たな道筋を示している。