[論文レビュー] Anatomy of Dzyaloshinskii-Moriya Interaction at Co/Pt Interfaces

Hongxin Yang, A. Thiaville+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2015

Nanoporous metals and alloys被引用数 56

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、Co/Pt二重膜におけるDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）が主にCo/Pt界面に局在しており、Pt層のスピン軌道結合によって駆動されていることを明らかにした。Ptにおける近接誘起磁性とDMIとの直接的な関連性は確認されず、スキューリオンおよびドメインウォールベースのスピントロニクス素子の設計に向けたDMIの微視的起源を明確にした。

ABSTRACT

The Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI) between spins is induced by spin-orbit coupling in magnetic materials lacking inversion symmetry. DMI is recognized to play a crucial role at the interface between ferromagnetic (FM) and heavy nonmagnetic (NM) metals to create topological textures called magnetic skyrmions which are very attractive for ultra-dense information storage and spintronic devices. DMI also plays an essential role for fast domain wall (DW) dynamics driven by spin-orbit torques. Here, we present first principles calculations which clarify the main features and microscopic mechanisms of DMI in Co/Pt bilayers. DMI is found to be predominantly located at the interfacial Co layer, originating from spin-orbit energy provided by the adjacent NM layer. Furthermore, no direct correlation is found between DMI and proximity induced magnetism in Pt. These results clarify underlying mechanisms of DMI at FM/NM bilayers and should help optimizing material combinations for skyrmion- and DW-based storage and memory devices.

研究の動機と目的

• Co/Pt二重膜におけるDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）の微視的起源を理解すること。
• スピン軌道結合および界面非対称性がDMIを生成する役割を明確にすること。
• Ptにおける近接誘起磁性がDMIに寄与しているかどうかを調査すること。
• DMIの空間的局在性および支配的メカニズムを特定し、スピントロニクス素子の最適化に役立てる。
• FM/NMヘテロ構造におけるDMIの工学的設計の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 電子構造およびスピン相互作用を計算するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• DMIベクトルは、DFTで得られたスピンスパイラル状態およびスピン軌道結合項から抽出された。
• 個々の原子層からの寄与を特定するために、DMIの空間的分解が行われた。
• Ptからのスピン軌道結合の役割を特定するために、軌道およびスピン別寄与の分析が実施された。
• 近接磁性の有無を評価するために、スピンおよび軌道磁化モーメントの分析が実施され、DMIとの相関関係を検証した。
• 実験的観測結果との比較により、結果の妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMIの空間的起源は何か—具体的には、どの原子層がDMIベクトルに最も寄与しているか？
• RQ2 Pt層からのスピン軌道結合がDMIエネルギーにどのように寄与しているか？
• RQ3 Ptにおける近接誘起磁性とDMIの強さの間に直接相関があるか？
• RQ4 界面の逆変換対称性の破れがDMIの発現に果たす役割は何か？
• RQ5 FM/NMヘテロ構造において、材料設計によってDMI強度をどのように調整できるか？

主な発見

• Co/Pt二重膜におけるDMIは、主に界面に存在するCo層に局在しており、バルクのPtやCo層とは異なる。
• DMIの主な要因はPt層からのスピン軌道結合であり、これが界面での逆変換対称性の破れを引き起こしている。
• DMIの強さとPtにおける近接誘起磁化モーメントとの間に直接相関は認められなかった。
• DMIは界面におけるスピン軌道結合に起因しており、Pt層への誘起磁性によって駆動されているわけではない。
• DMIベクトルは、Co/Pt界面における軌道およびスピンのテクスチャーに強く依存しており、DFT予測と整合的である。
• これらの発見により明確な設計原則が得られた—このような系におけるDMIは、誘起磁性ではなく界面スピン軌道結合によって支配されている。