[論文レビュー] Investigation of anomalous-Hall and spin-Hall effects of antiferromagnetic IrMn sandwiched by Pt and YIG layers

Tian Shang, Haolin Yang+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、Pt/IrMn/YIGヘテロ構造における異常ホール効果（AHE）およびスピンホール効果（SHE）を調査し、IrMnが磁気プロキシミティ効果を抑制すると同時にスピン電流を効率的に伝導する役割を果たすことを示した。AHEは顕著に増幅され、3 nmのIrMn膜厚でピークに達するが、これはIrMn内の固有のスピン軌道結合および非共線的スピン構造に起因し、その反強磁性秩序とは無関係である。

ABSTRACT

We report an investigation of temperature and IrMn layered thickness dependence of anomalous-Hall resistance (AHR), anisotropic magnetoresistance (AMR), and magnetization on Pt/Ir20Mn80/Y3Fe5O12 (Pt/IrMn/YIG) heterostructures. The magnitude of AHR is dramatically enhanced compared with Pt/YIG bilayers. The enhancement is much more profound at higher temperatures and peaks at the IrMn thickness of 3 nm. The observed spin-Hall magnetoresistance (SMR) in the temperature range of 10-300 K indicates that the spin current generated in the Pt layer can penetrate the entire thickness of the IrMn layer to interact with the YIG layer. The lack of conventional anisotropic magnetoresistance (CAMR) implies that the insertion of the IrMn layer between Pt and YIG efficiently suppresses the magnetic proximity effect (MPE) on induced Pt moments by YIG. Our results suggest that the dual roles of the InMn insertion in Pt/IrMn/YIG heterostructures are to block the MPE and to transport the spin current between Pt and YIG layers. We discuss possible mechanisms for the enhanced AHR.

研究の動機と目的

• Pt/IrMn/YIGヘテロ構造における異常ホール抵抗（AHR）およびスピンホール磁気抵抗（SMR）の調査。
• IrMn膜厚および温度がAHRおよびSMRに与える影響の特定。
• 増幅されたAHRの起源が、IrMnの固有性質、界面効果、またはスピンホールメカニズムのいずれに起因するかの解明。
• IrMnの反強磁性秩序がスピン輸送およびAHEに与える影響の評価。
• IrMnがPt層およびYIG層間でスピン電流を効果的に媒介する能力の評価。

提案手法

• IrMn膜厚（1–5 nm）を変化させたPt/Ir20Mn80/YIG三層ヘテロ構造を作製。
• 温度および磁場の関数として異常ホール抵抗（AHR）および異方的磁気抵抗（AMR）を測定。
• IrMnのブロッキング温度の特定を目的とした磁化測定を実施。
• 10–300 Kの温度範囲でスピンホール磁気抵抗（SMR）を分析し、IrMn内を通過するスピン電流の伝達を評価。
• スピンポンピングおよび逆スピンホール効果（ISHE）の原理を用いて、IrMnを越えるスピン電流輸送を推定。
• IrMn挿入の役割を分離するために、Pt/YIGバイレイヤーと結果を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/IrMn/YIGにおける異常ホール抵抗の顕著な増幅は、Pt/YIGと比較して何に起因するか？
• RQ2 IrMn膜厚が異常ホール抵抗およびスピンホール磁気抵抗に与える影響は何か？
• RQ3 Pt/IrMn/YIGにおける増幅されたAHRは、IrMnの固有性質に起因するのか、界面効果に起因するのか？
• RQ4 IrMnにおける反強磁性秩序転移が観察されたAHEまたはSMRに影響を及ぼすか？
• RQ5 IrMnは、磁気プロキシミティ効果を抑制しつつ、PtからYIGへのスピン電流を効果的に伝達できるか？

主な発見

• Pt/IrMn/YIGにおける異常ホール抵抗（AHR）は顕著に増幅され、Pt/YIGと比較して数倍に達するが、3 nmのIrMn膜厚でピークに達する。
• AHRの増幅は高温域で顕著であり、従来のモデルでは説明できない非自明な温度依存性を示す。
• スピンホール磁気抵抗（SMR）は10–300 Kの範囲で観測され、Ptで生成されたスピン電流がIrMn層を完全に貫通し、YIGと相互作用できることを確認した。
• 従来の異方的磁気抵抗（CAMR）は無視できるほど小さいため、Pt/IrMnおよびIrMn/YIG界面で磁気プロキシミティ効果（MPE）が効果的に抑制されていることが示された。
• SHEモデルのみでは観測されたAHRを説明できない。これは、任意の温度依存パラメータを必要とし、膜厚依存性の増幅を説明できないためである。
• 結果から、AHRは長距離的な反強磁性秩序とは無関係に、IrMn内の固有のスピン軌道結合および非共線的スピン構造に起因していると示唆される。