[論文レビュー] Interface spin polarization of the Heusler compound Co2MnSi probed by unidirectional spin Hall magnetoresistance

Christian Lidig, Cramer, J.+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2018

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 39被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Wheatstoneブリッジ構成を用いた一方向性スピンホール磁気抵抗（USMR）を用いて、Co₂MnSi/Ptマルチレイヤーにおける界面スピン偏極を調査した。0.5 nmのエpitaxial Ag中間層を挿入することで、スピン依存性USMRが2倍に増大し、輸送スピン偏極が顕著に向上することを示した。結果から、Agは高スピン偏極状態を保持するが、Cr や Cu はそうではないことが明らかになった。本研究は、ヘスラー系スピントロニクス素子の界面を最適化するためのデバイスに依存しない手法を提供する。

ABSTRACT

Many Heusler compounds are predicted to be ferromagnetic half metals in the bulk, which makes them promising compounds for spintronics. However, for devices the transport spin polarization at specific interfaces requires optimization. We show that investigations of the unidirectional magnetoresistance provide an alternative approach to access this quantity. Based on a Wheatstone-bridge design we probed the unidirectional magnetoresistance of Co2MnSi/(Ag, Cu, or Cr)(0.5 nm)/Pt (or Ta) multilayers and separate the spin-dependent unidirectional spin Hall magnetoresistance from other contributions. We demonstrated that by the insertion of a thin epitaxial Ag layer the spin-dependent contribution is doubled corresponding to a significant increase of the transport spin polarization, which is discussed in the framework of highly spin polarized interface states.

研究の動機と目的

• ヘスラー化合物界面における輸送スピン偏極を定量化するためのデバイスに依存しない手法を開発すること。
• 異なる界面金属（Ag、Cu、Cr）がCo₂MnSi/Ptヘテロ構造におけるスピン偏極に与える影響を調査すること。
• USMR測定結果と、事前に得られた界面電子状態に関する光電子分光測定（HAXPES）データを関連付けること。
• ヘスラー系スピントロニクス素子における、電流面内型巨大磁気抵抗（CIP-GMR）を向上させるための最適な界面工学戦略を同定すること。

提案手法

• Wheatstoneブリッジ幾何学を用いて、Co₂MnSi(001)/(Ag, Cu, Cr)(0.5 nm)/Ptマルチレイヤーにおける一方向性磁気抵抗（UMR）を測定した。
• UMRを UMR(j) = [ρ_xx(j^HM) - ρ_xx(-j^HM)] / [½(ρ_xx(j^HM) + ρ_xx(-j^HM))] として定義し、スピン依存寄与を分離した。
• スピン依存性USMRが熱的および通常の磁気抵抗効果よりも支配的となるよう、薄いCo₂MnSi層（約7 nm）に焦点を当てた。
• 界面電子状態を調整するために、エpitaxial Ag(001)、多結晶Cu、エpitaxial Cr(001)を中間層として用いた。
• 電流方向および磁場サイクリングを用いて、スピン依存性USMRを背景効果（例：異常ネルンスト効果、AMR、SMR）から区別した。
• USMRの大きさと、Co₂MnSi/Ag系においてスピン偏極状態が観測されたHAXPESデータの相関を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5 nmの中間層（Ag、Cu、Cr）を挿入することで、Co₂MnSi/Pt界面における輸送スピン偏極はどのように変化するか？
• RQ2 一方向性スピンホール磁気抵抗（USMR）は、半金属的ヘスラー化合物における界面スピン偏極を信頼できる、デバイスに依存しないプローブとして機能できるか？
• RQ3 なぜCo₂MnSi/Ag/Ptでは、Co₂MnSi/Cr/Pt や Co₂MnSi/Cu/Pt よりもUSMR信号が増大するのか？
• RQ4 事前にHAXPESで観測された界面電子状態—特にフェルミ準拠近くのスピン偏極状態—は、スピン依存性USMRの大きさとどの程度相関するか？
• RQ5 薄膜ヘテロ構造において、異常ネルンスト効果や異方性磁気抵抗（AMR）といった競合効果からUSMR信号を分離できるか？

主な発見

• Co₂MnSi/Ptバイレイヤーにおけるスピン依存性USMRは、0.5 nmのエpitaxial Ag(001)中間層を挿入することで2倍に増大し、輸送スピン偏極の顕著な向上を示している。
• エpitaxial Cr(001)中間層を用いた場合、USMRは変化しないことから、Crはスピン偏極状態を保持または強化しないことが示唆された。
• 多結晶Cuを0.5 nmの中間層として用いた場合、USMRは上昇するがAgほどではないため、スピン偏極の部分的保持が示唆された。
• Agを用いた場合のUSMR増大は、HAXPESデータと強く相関しており、Co₂MnSi/Ag系においてフェルミ準拠近くに明確なスピン偏極界面状態が存在することが裏付けられた。
• Co₂MnSi層の厚さが約7 nmの範囲では、USMR信号が熱的および通常の磁気抵抗効果を上回り、信頼性のあるスピン偏極の抽出が可能であることが確認された。
• 本結果から、Co₂MnSi/Ag/Ptヘテロ構造は、類似系で報告された高CPP-GMRと同様に、大きな電流面内型（CIP）-GMR値を実現可能である可能性が示唆された。