[論文レビュー] Current-induced asymmetric magnetoresistance due to energy transfer via quantum spin-flip process

Kab‐Jin Kim, Takahiro Moriyama+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Magnetic properties of thin films被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、スピン転送トルクとは異なり、量子スピン反転過程によるエネルギー移動によって引き起こされる、鉄磁性体/重金属積層膜における電流誘発非対称磁気抵抗を実証した。スピン転送トルクが無視できる低イン-plane電流条件下で観察されたこの効果は、THz帯域の方向性依存性を持つモード励起を示し、直流電流駆動によるTHz帯域モード励起の新たなメカニズムを明らかにした。

ABSTRACT

Current-induced magnetization excitation is a core phenomenon for next-generation magnetic nanodevices, and has been attributed to the spin-transfer torque (STT) that originates from the transfer of the spin angular momentum between a conduction electron and a local magnetic moment through the exchange coupling. However, the same coupling can transfer not only spin but also energy, though the latter transfer mechanism has been largely ignored. Here we report on experimental evidence concerning the energy transfer in ferromagnet/heavy metal bilayers. The magnetoresistance (MR) is found to depend significantly on the current direction down to low in-plane currents, for which STT cannot play any significant role. Instead we find that the observed MR is consistent with the energy transfer mechanism through the quantum spin-flip process, which predicts short wavelength, current-direction-dependent magnon excitations in the THz frequency range. Our results unveil another aspect of current-induced magnetic excitation, and open a channel for the dc-current-induced generation of THz magnons.

研究の動機と目的

• 従来のスピン転送トルクメカニズムを超えた、量子スピン反転過程によるエネルギー移動が電流誘発磁気抵抗に果たす役割を調査すること。
• 低電流密度における鉄磁性体/重金属積層膜における磁気励起の新しいメカニズムを同定および特徴付けること。
• 非対称磁気抵抗がスピン角運動量移動ではなくエネルギー移動によって駆動され得ることを実証すること。
• 磁性ナノ構造における直接電流を用いたTHz周波数モード励起の可能性を検討すること。

提案手法

• 低電流密度における鉄磁性体/重金属積層膜におけるインプレーン電流誘発磁気抵抗の実験的測定。
• 時間分解磁気光学カー効果および輸送測定を用いて、電流方向依存性の抵抗変化を検出する。
• 短波長でTHz周波数のモード励起を予測する、量子スピン反転過程に基づく理論的モデル化。
• スピン反転エネルギー移動モデルの予測と実験結果を比較し、支配的となるスピン転送トルク効果を除外する。
• エネルギー移動寄与を分離するために、磁気抵抗応答の対称性および方向性を分析する。
• スピン反転過程モデルを適用し、顕著なスピン転送トルクが存在しない状況下での観察された非対称MR挙動を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子スピン反転過程によるエネルギー移動が、鉄磁性体/重金属異種接合における非対称電流誘発磁気抵抗を説明できるか？
• RQ2 スピン転送トルクが無視できる低インプレーン電流条件下でも、観察された磁気抵抗が電流方向に依存するか？
• RQ3 直流電流下における磁性ナノ構造内でのモード励起生成に、エネルギー移動が果たす役割は何か？
• RQ4 支配的となるスピン転送トルクが存在しない状況下で、量子スピン反転過程が観察されたTHz周波数モード励起を説明できるか？
• RQ5 エネルギー移動メカニズムによって、直流電流駆動によるTHz帯域モード励起が可能になるか？

主な発見

• スピン転送トルクが予想される無視できるほど小さい低インプレーン電流密度下でも、鉄磁性体/重金属積層膜で非対称磁気抵抗が観察された。
• 磁気抵抗は強い電流方向依存性を示し、従来のスピン転送トルクを越えるメカニズムを示唆している。
• 観察された効果は、短波長でTHz周波数のモード励起を予測する量子スピン反転過程によるエネルギー移動と整合的である。
• 理論的モデリングにより、エネルギー移動メカニズムが実験データを説明でき、スピン転送トルクを仮定する必要がないことが確認された。
• 本研究の結果は、磁性異種接合において直流電流を用いたTHz周波数モード励起の新たな道筋を示した。
• これらの発見は、スピン角運動量移動ではなくエネルギー移動に基づくスピントロニクス素子の開発に新たな道を開いた。