[論文レビュー] Giant spin Hall magnetoresistance in metallic bilayers

Junyeon Kim, Sheng Peng+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Magnetic properties of thin films参考文献 37被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、タングステン/CoFeB金属バイレイヤーにおいて、従来の重金属/磁性絶縁体系と比較してほぼ10倍の増幅を示す巨大スピンホール磁気抵抗（SMR）を報告している。この効果は、界面におけるスピンホール効果によって生成されたスピン電流が、横方向抵抗を顕著に変調することに起因し、金属的ヘテロ構造におけるスピン電流ダイナミクスを評価する強力なプローブとしてSMRの有効性を示している。

ABSTRACT

The spin Hall effect in heavy metals generates spin current that enables control of magnetization of an nearby magnetic layer. Conversely, such flow of spin current can influence the transport properties of the system itself. For example, the resistance of a Pt layer attached to a magnetic insulator changes as the direction of the magnetization is changed. Such effect, now commonly referred to as the spin Hall magnetoresistance (SMR), has been reported to be, however, order of magnitude smaller than the conventional anisotropic magnetoresistance in magnetic materials. Here we report giant spin Hall magnetoresistance in a metallic bilayer system. We find nearly a ten-fold increase of SMR in W/CoFeB compared to the previously studied heavy metal/magnetic insulator systems. The large SMR accounts for the unconventionally large transverse magnetoresistance found in this system, manifesting the profound effect of spin current generated via the spin Hall effect on the electrical transport properties. We show that the SMR is defined at the heavy metal/magnetic layer interface even for metallic heterostructures in which current flows into the magnetic layer. These results demonstrate that SMR can be used as a powerful tool to evaluate the flow and accumulation of spin current in metallic heterostructures.

研究の動機と目的

• 金属的バイレイヤー系におけるスピンホール磁気抵抗（SMR）の大きさと起源を調査すること。
• W/CoFeB系においてSMRが従来の重金属/磁性絶縁体ヘテロ構造と比較して顕著に増幅される理由を理解すること。
• SMRが金属的ヘテロ構造におけるスピン電流の流れと蓄積を定量的にプローブできるかどうかを示すこと。
• 重金属/磁性層界面が測定可能なSMR効果を生成する役割を明確にすること。

提案手法

• 磁化方向を変化させた状態で、W/CoFeBバイレイヤー構造における横方向磁気抵抗を測定すること。
• 強いスピンホール効果を誘発し、スピン電流を生成するためにタングステン（W）を重金属として用いること。
• 従来にわたって研究済みの重金属/磁性絶縁体系と比較して、金属的CoFeB層におけるSMR応答を評価すること。
• 電流が磁性層に流れ込む状況下でも、界面に起因するSMR寄与を分析すること。
• 磁化方向を系統的に変化させることで、他の異方的輸送寄与からスピンホール磁気抵抗効果を分離すること。
• 抵抗の変調を通じて界面におけるスピン電流蓄積を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W/CoFeB金属バイレイヤーにおけるスピンホール磁気抵抗の大きさは、従来のシステムと比較してどの程度か？
• RQ2 スピンホール効果は、フェリ磁性層を有する金属的ヘテロ構造における電気的輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ3 金属的系において、SMR効果が重金属/磁性層界面にどれほど局在しているか？
• RQ4 この系における横方向磁気抵抗が、従来のメカニズムから予想される値よりも顕著に大きい理由は何か？
• RQ5 SMRは金属的ヘテロ構造におけるスピン電流の流れと蓄積を信頼できるプローブとして使用できるか？

主な発見

• W/CoFeBバイレイヤーにおけるスピンホール磁気抵抗は、従来に研究された重金属/磁性絶縁体系と比較してほぼ10倍大きい。
• 巨大SMRは、W/CoFeB界面におけるスピンホール効果によって生成されたスピン電流に起因する。
• 電流が磁性層に流れ込む状況下でもSMRが維持されることから、この効果は界面由来であると示唆される。
• 観測された横方向磁気抵抗は、主にSMR効果に起因しており、従来の異方的磁気抵抗とは異なる。
• SMRは重金属/磁性層界面に定義されており、スピン電流ダイナミクスを感受する高感度プローブとしての役割を確認した。
• 本結果により、SMRが金属的スピントロニクスヘテロ構造におけるスピン電流の流れと蓄積を評価する強力なツールであることが確立された。