[論文レビュー] Electric-field modification of interfacial spin-orbit field-vector

Liangyi Chen, Martin Gmitra+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ショットキー準位のゲート電圧を用いた界面スピンオービット相互作用の制御により、Fe/GaAs(001)異種接合における界面スピンオービット場（iSOF）の電場制御を実証した。ゲート電圧を印加することで、iSOFベクトルの大きさを安定的かつ逆転可能に制御でき、電流注入を伴わずに低消費電力でスピンオービットトーキーを動的に制御することが可能になった。これは、低消費電力スピントロニクス素子にとって極めて重要である。

ABSTRACT

Current induced spin-orbit magnetic fields (iSOFs), arising either in single-crystalline ferromagnets with broken inversion symmetry1,2 or in non-magnetic metal/ferromagnetic metal bilayers3,4, can produce spin-orbit torques which act on a ferromagnet's magnetization,thus offering an efficient way for its manipulation.To further reduce power consumption in spin-orbit torque devices, it is highly desirable to control iSOFs by the field-effect, where power consumption is determined by charging/discharging a capacitor5,6. In particular, efficient electric-field control of iSOFs acting on ferromagnetic metals is of vital importance for practical applications. It is known that in single crystalline Fe/GaAs (001) heterostructures with C2v symmetry, interfacial SOFs emerge at the Fe/GaAs (001) interface due to the lack of inversion symmetry7,8. Here, we show that by applying a gate-voltage across the Fe/GaAs interface, interfacial SOFs acting on Fe can be robustly modulated via the change of the magnitude of the interfacial spin-orbit interaction. Our results show that, for the first time, the electric-field in a Schottky barrier is capable of modifying SOFs, which can be exploited for the development of low-power-consumption spin-orbit torque devices.

研究の動機と目的

• 低消費電力スピントロニクス応用を目的として、フェロ磁性異種接合における界面スピンオービット場（iSOF）の電場制御を達成すること。
• ゲート電圧がショットキー準位構造における界面スピンオービット相互作用の強度を制御できるかどうかを調査すること。
• 非磁性/フェロ磁性バイレイヤー系におけるフィールド効果を用いて、スピンオービットトーキーの動的かつ逆転可能な調整を実証すること。
• 電流注入ではなくコンデンサ型ゲート制御を用いた磁化のエネルギー効率の良い操作の道筋を確立すること。

提案手法

• Fe/GaAs(001)異種接合にゲート電圧を印けてショットキー準位を形成し、界面電子状態の電場制御を可能にする。
• 界面スピンオービット結合が生成する有効磁場を測定するため、スピンオービットトーキュー測定を用いる。
• 上部ゲート構造を採用し、静電的ドーピングによって界面スピンオービット相互作用の強度を制御する。
• ゲート電圧の関数としての場のベクトルの大きさと方向を測定し、チューニング特性を評価する。
• C2v対称性を有するFe/GaAs(001)界面における対称性保護されたスピンオービット結合を分析する。
• コンデンサ型ゲート構造を用いて、低消費電力かつ非散逸的なスピンオービット場の制御を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェロ磁性異種接合において、界面スピンオービット場の大きさを電気的にチューニングできるか？
• RQ2 ショットキー準位構造において、スピンオービット場の電場制御が可能か？
• RQ3 ゲート電圧の変調がFe/GaAs(001)における界面スピンオービット相互作用の強度を変えるか？
• RQ4 このフィールド効果アプローチにより、エネルギー効率の良い非散逸的磁化操作が可能か？
• RQ5 ゲート電圧下でのスピンオービット場ベクトルのチューニング度と逆転性はどの程度か？

主な発見

• Fe/GaAs(001)における界面スピンオービット場（iSOF）の大きさは、ショットキー準位にゲート電圧を印けることで安定的かつ強力に制御可能である。
• 電場が界面スピンオービット相互作用の強度に顕著な変化を引き起こし、Fe層に作用する有効磁場が直接的に変化することが確認された。
• この変調は逆転可能で再現可能であり、スピンオービット結合に対する安定した静電的制御が可能であることを示している。
• 観察されたチューニング効果は、ゲート誘起による界面電子密度の変化に起因し、これがスピンオービット結合強度を変化させると考えられる。
• これは、ショットキー準位におけるフィールド効果を用いたフェロ磁性金属でのiSOFの電場制御の初の実証であり、低消費電力動作を可能にする。
• 結果から、電流注入を伴わずスピンオービットトーキューを動的に制御でき、消費電力の低減が実現可能であることが確認された。