[論文レビュー] Large Spin Torque in Topological Insulator/Ferromagnetic Metal Bilayers

Mark H. Fischer, Abolhassan Vaezi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2013

Topological Materials and Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、面内電流および面内磁化を用いたトポロジカル絶縁体/強磁性金属（TI/FM）バイライヤーにおいてスピン転送トルクを測定することを提案する。トポロジカルディラク表面状態とラシュバ分裂2次元電子気体（2DEG）からのスピントルク寄与が逆方向であることを特定し、それらの役割を実験的に区別可能であることを示す。推定されるスピントルク効率は、重金属/FM系と同等であり、スピントロニクス応用への強い可能性を示唆する。

ABSTRACT

While there are several proposals on spintronic applications of the surface state's helical spin texture in three-dimensional (3D) topological insulators (TI), none has been realized yet. Motivated by recent measurements of spin-transfer torque in heavy metal (HM)/ ferromagnetic-metal (FM) structures, we propose measuring spin-transfer torque in a TI/ FM bilayer with in-plane magnetic moment and in-plane current. Based on ARPES experiments on TI/FM bilayers and transport measurements on thin TI films, we focus on the role of two types of surface states: the topological Dirac surface state and an additional two-dimensional electron gas (2DEG) with Rashba spin-orbit coupling. We find that each surface state contributes to both an out-of-plane (field-like) and an in-plane torque. However, the torques due to the topological Dirac surface state and the Rashba-split 2DEG turn out to be in opposite directions. This will allow for the experimental assessment of the dominant source of spin-torque. Finally, we estimate the spin-torque efficiency in TI/FM bilayers to be comparable to that of the HM/FM system opening up exciting prospect for applications.

研究の動機と目的

• 面内電流および面内磁化を用いたトポロジカル絶縁体/強磁性金属（TI/FM）バイライヤーにおいてスピン転送トルクを観測する可能性を検討すること。
• TI/FMヘテロ構造におけるスピントルクに寄与する2つの表面状態—トポロジカルディラク表面状態およびラシュバ分裂2次元電子気体（2DEG）—の寄与を別々に調査すること。
• それぞれのトルクの方向が逆であることを特定することで、実験的にトルク源を区別可能にする。
• TI/FM系におけるスピントルク効率を推定し、スピントロニクス応用への可能性を評価すること。

提案手法

• ARPES測定を用いてTI/FMバイライヤーの電子構造および表面状態のスピンテクスチャを特徴づける。
• 薄いTI膜における輸送測定を用いて、面内電流および面内磁化下でのスピントルク応答を抽出する。
• 2つの表面状態からのスピントルク寄与をモデル化する：トポロジカルディラク表面状態およびスピン軌道結合を有するラシュバ分裂2DEG。
• 各表面状態から生じる面外（場に依存する）および面内トルク成分を分析する。
• 2つの表面状態からのトルクの相対的な大きさと方向を比較し、実験的観測可能性を予測する。
• 既存のHM/FM系との類推により、TI/FM系におけるスピントルク効率を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカルディラク表面状態およびラシュバ分裂2DEGは、TI/FMバイライヤーにおけるスピン転送トルクにどのように寄与するか？
• RQ2 各表面状態から生じる面外および面内トルク成分の大きさと方向は、どのように比較できるか？
• RQ3 2つの表面状態からのトルク方向が逆であるため、それらの寄与を実験的に区別できるか？
• RQ4 TI/FMバイライヤーにおけるスピントルク効率は、重金属/FM系と比較してどの程度か？
• RQ5 TI/FMバイライヤーは、実用的なスピントロニクス応用に適したスピントルク効果を支持できるか？

主な発見

• トポロジカルディラク表面状態は、TI/FMバイライヤーにおいて面外および面内スピントルク成分の両方に寄与する。
• ラシュバ分裂2DEGも、面外および面内トルクに寄与するが、トポロジカル表面状態とは逆方向の寄与を示す。
• 2つの表面状態間のトルク方向の逆転は、それらの寄与を明確に区別する実験的シグナルを提供する。
• TI/FMバイライヤーにおける推定されるスピントルク効率は、重金属/FM系と同等であり、スピントロニクス応用への強い可能性を示唆する。
• スピン軌道効果をプローブおよび設計可能な、チューナブルで逆方向のスピントルク応答を示す2つの異なる表面状態の存在により、トポロジカルヘテロ構造におけるスピン軌道効果の新たな道筋が開かれる。