[論文レビュー] Giant topological Hall effect in strained Fe$_{0.7}$Co$_{0.3}$Si epilayers

N. A. Porter, Priyasmita Sinha+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Magnetic properties of thin films被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高いスピン偏極度、低キャリア濃度、および密度の高いキラルスピンテクスチャーによって駆動される、外延的応力がかかるFe₀.₇Co₀.₃Si薄膜における巨大なトポロジカルホール効果（THE）を報告する。THEは2 Kで820 nΩ·cmに達し、MnSiにおけるそれより200倍以上大きい。これは強いトポロジカルベリー位相効果を示し、スカイミオンを用いたスピントロニクス素子への顕著な可能性を示唆している。

ABSTRACT

The coupling of electron spin to real-space magnetic textures leads to a variety of interesting magnetotransport effects. The skyrmionic spin textures often found in chiral B20-lattice magnets give rise, via real-space Berry phases, to the topological Hall effect, but it is typically rather small. Here, B20-ordered Fe$_{0.7}$Co$_{0.3}$Si epilayers display a giant topological Hall effect due to the combination of three favourable properties: they have a high spin-polarisation, a large ordinary Hall coefficient, and dense chiral spin textures. The topological Hall resistivity is as large as 820 n$Ω$cm at helium temperatures. Moreover, we observed a drop in the longitudinal resistivity of 100 n$Ω$cm at low temperatures in the same field range, suggesting that it is also of topological origin. That such strong effects can be found in material grown in thin film form on commercial silicon wafer bodes well for skyrmion-based spintronics.

研究の動機と目的

• キラルB20構造を有する応力のかかったFe₀.₇Co₀.₃Siエピ層におけるトポロジカルホール効果の起源および大きさを調査すること。
• エピタキシャル応力、スピン偏極度、およびキラル磁気的テクスチャーが、トポロジカル輸送効果をどのように共同で強化するかを特定すること。
• 標準的なホール効果を超えて、縦方向抵抗率にどのようなトポロジカル寄与が存在するかを同定すること。
• これらの薄膜を用いたスケーラブルでウェーハベースのスピントロニクス素子への実用可能性を評価すること。

提案手法

• 単結晶性を保証するため、分子線エpitaxy（MBE）を用いてSi(111)基板上にエピタキシャルFe₀.₇Co₀.₃Si薄膜を成長させた。
• 暗視野像および収束ビーム電子回折（CBED）を含む透過電子顕微鏡（TEM）を用いて、左右のキラルドメインが共存することを同定した。
• 2 Kから300 Kの温度範囲で、4端子法を用いた4線式DC測定により、ホール抵抗率（ρxy）および縦方向抵抗率（ρxx）を抽出した。
• SQUID-バイブレーティング・サンプル磁化計（VSM）を用いて、磁化（M）と磁場（H）の関係を測定し、磁気的転移およびコーエルスフィールドを特定した。
• 5 Kに冷却した状態でフィールド冷却後に偏光中性子反射率（PNR）を測定し、深さ方向に解像した磁気的性質およびスピン構造をプローブした。
• データ解析には、線形および弱局在寄与のバックグラウンド補正を実施し、トポロジカル抵抗率特徴を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のB20材料と比較して、応力のかかったFe₀.₇Co₀.₃Siエピ層に巨大なトポロジカルホール効果が生じる原因は何か？
• RQ2 トポロジカルベリー位相効果は、横方向のホール応答を超えて縦方向抵抗率（ρxx）にも現れるのか？
• RQ3 エピタキシャル応力およびキラルドメイン構造は、スカイミオン的スピンテクスチャーの安定性および密度にどのように影響するか？
• RQ4 観測された抵抗率異常の程度が、従来の異方的磁気抵抗効果ではなく、トポロジカル効果に起因するものとされるのか？
• RQ5 ドーピングや応力制御により、トポロジカル輸送応答を素子用途に向けたものに設計可能か？

主な発見

• トポロジカルホール抵抗率（ρxy^t）は2 Kで820 nΩ·cmに達し、MnSiにおける初期観測値（4 nΩ·cm）と比較して200倍以上も増幅されている。
• 巨大THEと同一の磁場範囲で、縦方向抵抗率（Δρxx ≈ 100 nΩ·cm）に顕著な低下が観測され、ベリー位相効果に起因する可能性のあるトポロジカル起源が示唆されている。
• トポロジカル位相は、2 KからT ≈ 20 Kまで広い温度範囲および広い磁場ウィンドウにわたり持続する。
• TEMおよびCBEDによる確認により、薄膜中に左右のキラルドメインが共存していることが判明し、これが複雑な界面テクスチャーを形成し、高密度のスカイミオン的スピンテクスチャーの安定化に寄与している可能性がある。
• 電流密度が2×10⁴から4×10⁸ A/m²の広い範囲で、トポロジカル抵抗率寄与は不変であり、内在的起源であることが示された。
• ρxxにおける残留抵抗率異常はT ≈ 20 K以上で消失するため、基礎的なトポロジカルメカニズムにおいて位相のコherenecの役割が示唆される。