[論文レビュー] Anomalous spin orbit torques with large Rashba spin orbit coupling in epitaxial Pt/Co bilayers

Ye Du, Shutaro Karube+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2018

Magnetic properties of thin films被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、強いラシバスピンオービット結合を示すエpiタキシャルPt/Co二重膜が、記錆の逆エデルシュタイン長（λ_IEE ≈ 数nm）を示し、場磁気的スピンオービットトーキー効率が10倍向上し、減衰的スピンオービットトーキー効率が2倍増加することを示した。結果は、ラシバスピンオービット効果とバルクスピンホール効果を組み合わせた新規なドリフト拡散モデルにより説明されており、スピントロニクス素子におけるスピンオービットトーキーの正確な工学的制御が可能になる。

ABSTRACT

The Rashba-Edelstein effect (REE), which characterizes the generation of a transverse spin polarization at interfaces with a longitudinal external electrical field, provides new opportunities to the efficient spin current generation and the manipulation of spin orbit torques (SOTs) in magnetic hetero-structures. Here in this work, we report an exceptionally large interfacial charge-to-spin conversion efficiency (i.e. the inverse Edelstein length Lamda_IEE of a few nanometers) in epitaxial (epi-) Pt/Co bilayers from a REE-induced magnetoresistance analysis using a new drift-diffusion model that incorporates both REE and bulk spin Hall effect. From the spin torque ferromagnetic resonance analysis, a tenfold enhancement in the field-like (FL) SOT efficiency is demonstrated compared to polycrystalline samples, showing quantitative consistency with the large Lamda_IEE. Additionally, a twofold increase in the damping-like (DL) SOT efficiency is observed in epi-samples, with Pt films having lower resistivity. Our study demonstrates that both DL- and FL-SOTs can be significantly modulated by the Rashba SO coupling with hetero-interface modification, providing new perspectives to the engineering of SOTs in spintronic devices.

研究の動機と目的

• 界面ラシバスピンオービット結合が磁性ヘテロ構造におけるスピンオービットトーキー効率をどのように向上させるかを調査すること。
• 新規なドリフト拡散モデルを用いて、エピタキシャルPt/Co二重膜における界面電荷-スピン変換効率（λ_IEE）を定量すること。
• ラシバスピンオービット効果と測定可能なスピントーキー磁性共鳴応答との相関をとること。
• エピタキシャル系におけるヘテロ界面の改変を通じて、スピンオービットトーキーの工学的可能性を示すこと。
• 場磁気的および減衰的スピンオービットトーキー効率の観点から、エピタキシャルと多結晶Pt/Coサンプルの性能を比較すること。

提案手法

• エピタキシャルPt/Co二重膜におけるスピン輸送を記述するため、ラシバスピンオービット効果（REE）とバルクスピンホール効果を組み合わせた新規なドリフト拡散モデルを採用した。
• 縦方向電場を印加した状態での磁気抵抗測定を実施し、逆エデルシュタイン長（λ_IEE）を抽出した。
• スピントーキー磁性共鳴（ST-FMR）を実施し、場磁気的（FL）および減衰的（DL）スピンオービットトーキー効率を定量した。
• 高品質な構造を有するエピタキシャルPt/Coヘテロ構造を用いて、界面スピンオービット効果をバルクおよび結晶粒界の寄与から分離した。
• エピタキシャルPt/Coと多結晶サンプルの結果を比較し、界面におけるラシバス結合の影響を分離した。
• Pt膜の抵抗率および構造的性質を分析し、電子輸送とスピンオービットトーキー効率との相関を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いラシバスピンオービット結合を示すエピタキシャルPt/Co二重膜における界面電荷-スピン変換効率（λ_IEE）の大きさはどの程度か？
• RQ2 エピタキシャル系において、ラシバスピンオービット効果は多結晶系と比較して、場磁気的スピンオービットトーキー効率にどのように寄与するか？
• RQ3 インターフェースの工学的改変およびラシバスピンオービット結合により、減衰的および場磁気的スピンオービットトーキーはどの程度向上できるか？
• RQ4 磁気抵抗から抽出したλ_IEEとST-FMRで測定されたスピントーキー効率の間には、定量的な一貫性があるか？
• RQ5 Pt膜の抵抗率は、エピタキシャルヘテロ構造における観察されたスピンオービットトーキー強化にどのように影響するか？

主な発見

• エピタキシャルPt/Co二重膜において、数ナノメートルの非常に大きな逆エデルシュタイン長（λ_IEE）が測定され、界面における電荷-スピン変換が極めて効率的であることが示された。
• エピタキシャルサンプルでは、多結晶系と比較して場磁気的（FL）スピンオービットトーキー効率が10倍向上しており、大きなλ_IEEと整合的であった。
• エピタキシャルPt/Co構造では、Ptの抵抗率が低いにもかかわらず、減衰的（DL）スピンオービットトーキー効率が2倍向上した。
• 実験結果は、磁気抵抗から抽出したλ_IEEとST-FMRから導出されたFL-SOT効率の間で定量的な一致を示しており、新規なドリフト拡散モデルの妥当性が裏付けられた。
• 場磁気的および減衰的スピンオービットトーキーは、界面ラシバスピンオービット結合によって顕著に強化され、ヘテロ構造設計によるチューニングが可能であることが示された。
• 本研究は、エピタキシャル成長が界面スピンオービット結合を強化し、多結晶系と比較して優れたスピンオービットトーキー性能を実現できることを確立した。