[論文レビュー] First-principles calculation of the spin-Hall and inverse spin-Hall effects: interface versus bulk contributions

Lei Wang, Rien J. H. Wesselink+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2015

Magnetic properties of thin films被引用数 2

ひとこと要約

第一原理的研究では、Pt|Py二重積層構造におけるスピンホール効果および逆スピンホール効果を調査し、室温において界面寄与が逆スピンホール効果を支配しており、体積寄与をはるかに上回る巨大な界面スピンホール角度が存在することを明らかにした。本研究では散乱アプローチを用いてスピン電流生成を体積項と界面項に分解し、温度上昇に伴いスピンホール角度が単調に増加し、体積Ptの抵抗率に比例することを示した。

ABSTRACT

The spin Hall angle (SHA) is a measure of the efficiency with which a transverse spin current is generated from a charge current by the spin-orbit coupling and disorder in the spin Hall effect (SHE). In a study of the SHE for a Pt$|$Py (Py=Ni$_{80}$Fe$_{20}$) bilayer using a first-principles scattering approach, we find a SHA that increases monotonically with temperature and is proportional to the resistivity for bulk Pt. By decomposing the room temperature SHE and inverse SHE currents into bulk and interface terms, we discover a giant interface SHA that dominates the total inverse SHE current with potentially major consequences for applications.

研究の動機と目的

• Pt|Pyヘテロ構造におけるスピンホール効果および逆スピンホール効果に寄与する体積領域と界面領域の相対的寄与を理解すること。
• Ptを基盤とする系におけるスピンホール角度の温度依存性を特定すること。
• 第一原理的手法を用いてスピン軌道結合および不純物散乱によるスピン電流生成効率を定量すること。
• 界面支配型スピンホール効果がスピントロニクス素子の性能向上に寄与する可能性を評価すること。

提案手法

• Pt|Py二重積層構造における電子輸送をモデル化するため、第一原理的散乱アプローチを採用した。
• 散乱理論を用いて、全スピンホール電流および逆スピンホール電流を体積寄与と界面寄与に分解した。
• スピンホール角度を温度関数として計算し、その温度依存性を分析した。
• スピンホール角度と体積Ptの抵抗率との関係を評価し、スケーリング特性を検証した。
• 電子構造計算を用いてスピン軌道結合および不純物散乱パラメータを抽出した。
• Kubo公式および線形応答理論を用いて、電流が流れ込む状態におけるスピン電流応答を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt|Py二重積層構造におけるスピンホール角度を決定づける体積寄与と界面寄与の大小関係はいかほどか？
• RQ2 Ptにおけるスピンホール角度の温度依存性は何か？また、抵抗率とどのように関係しているか？
• RQ3 逆スピンホール効果における界面寄与が、体積寄与を著しく上回る可能性はあるか？
• RQ4 界面領域におけるスピン軌道結合および散乱が、スピン電流生成をどの程度強化するか？

主な発見

• Pt|Py系において、スピンホール角度は温度上昇に伴い単調に増加する。
• 体積Ptにおけるスピンホール角度は、その抵抗率に比例しており、不純物散乱とスピンホール効率の直接的な関連を示唆している。
• 逆スピンホール効果における界面寄与は、体積寄与よりも著しく大きく、巨大な界面スピンホール角度を示している。
• 界面が全逆スピンホール電流を支配しており、界面工学の最適化がスピントロニクス素子の性能向上に鍵となる可能性がある。
• スピン電流を体積項と界面項に分解することで、界面におけるスピン軌道結合および散乱がスピン電流生成において支配的役割を果たしていることが明らかになった。
• 結果から、効率的なスピンホール型デバイスの設計において、界面効果が体積特性よりも重要である可能性が示唆される。