[論文レビュー] Magnetic Proximity Effect in Pt/CoFe2O4 Bilayers

Walid Amamou, I.N. Pinchuk+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Magnetic properties of thin films被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、分子線 epitaxy（MBE）法で成長させたPt/CoFe2O4二層膜において、磁気近接効果（MPE）を示すことを示した。強誘電体性のCoFe2O4から発生するスピン極化電子が、Pt層に誘導された強磁性を引き起こす。5 Kでの角度依存磁気抵抗および異常ホール効果測定により、強化された閉磁界および残留磁化を示す誘導された強磁性が確認された。密度汎関数理論（DFT）計算およびCuスパーサー制御実験により裏付けられ、スピンペル酸化物が近接誘導磁性を介してスピントロニクス応用に有望であることが示された。

ABSTRACT

We observe the magnetic proximity effect (MPE) in Pt/CoFe2O4 bilayers grown by molecular beam epitaxy. This is revealed through angle-dependent magnetoresistance measurements at 5 K, which isolate the contributions of induced ferromagnetism (i.e. anisotropic magnetoresistance) and spin Hall effect (i.e. spin Hall magnetoresistance) in the Pt layer. The observation of induced ferromagnetism in Pt via AMR is further supported by density functional theory calculations and various control measurements including insertion of a Cu spacer layer to suppress the induced ferromagnetism. In addition, anomalous Hall effect measurements show an out-of-plane magnetic hysteresis loop of the induced ferromagnetic phase with larger coercivity and larger remanence than the bulk CoFe2O4. By demonstrating MPE in Pt/CoFe2O4, these results establish the spinel ferrite family as a promising material for MPE and spin manipulation via proximity exchange fields.

研究の動機と目的

• 分子線 epitaxy（MBE）法で成長させたPt/CoFe2O4二層膜における磁気近接効果（MPE）の存在を調査すること。
• Pt層における異方性磁気抵抗（AMR）およびスピンホール磁気抵抗（SHMR）の寄与を分離し、定量すること。
• Pt層がCoFe2O4との近接結合によって誘導された強磁性秩序を獲得しているかどうかを特定すること。
• 密度汎関数理論（DFT）計算およびCuスパーサー層を用いた制御実験により、誘導された強磁性を検証すること。
• スピンペル酸化物が近接交換場を介してスピン操作に応用可能な材料としての可能性を検討すること。

提案手法

• 4.2 Kでの角度依存磁気抵抗測定により、Pt層における異方性磁気抵抗（AMR）およびスピンホール磁気抵抗（SHMR）の寄与を分離すること。
• Ptにおける誘導された強磁性相の磁気ヒステリシスを調べるための異常ホール効果（AHE）測定。
• PtとCoFe2O4の間にCuスパーサー層を挿入し、近接誘導磁性を抑制してその起源を確認すること。
• Ptにおける誘導されたスピン極化の存在をモデル化・検証するための密度汎関数理論（DFT）計算。
• 高品質で格子整合性の高いPt/CoFe2O4ヘテロ構造を形成するための分子線 epitaxy（MBE）法。
• 熱的揺らぎを最小限に抑え、微弱な磁気近接効果の検出を向上させるために5 Kのクライオスタットの使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/CoFe2O4二層膜におけるPt層は、強誘電体性のCoFe2O4との磁気近接結合によって誘導された強磁性を示すか？
• RQ2 Ptにおける観察された磁気抵抗に、異方性磁気抵抗（AMR）とスピンホール磁気抵抗（SHMR）の相対的寄与は何か？
• RQ3 Ptにおける誘導された強磁性相の磁気ヒステリシスは、バルクCoFe2O4と比較してどう異なるか？
• RQ4 非磁性のCuスパーサー層を挿入することで、Ptにおける誘導された強磁性が抑制されるか。これにより近接起源が確認されるか？
• RQ5 Ptにおける誘導磁性は、密度汎関数理論からの理論的予測と整合性があるか？

主な発見

• 5 Kでの角度依存磁気抵抗測定により、Pt層に明確な異方性磁気抵抗（AMR）信号が観測され、誘導された強磁性の存在が示された。
• 異常ホール効果測定により、Ptにおいて垂直方向の磁気ヒステリシスループが観測され、閉磁界および残留磁化がバルクCoFe2O4よりも高かった。これにより、安定した強誘導強磁性相の存在が確認された。
• Cuスパーサー層の挿入により、AMRおよびAHE信号が抑制された。これは、誘導された強磁性が近接結合に起因することを強く実験的に裏付けた。
• DFT計算により、CoFe2O4との交換結合に起因するPt界面におけるスピン極化が示され、実験結果を支持した。
• Pt/CoFe2O4における観察された磁気近接効果により、スピンペル酸化物ファミリーが近接誘導磁性を基盤とするスピントロニクスデバイスの実現可能性を示すプラットフォームであることが明らかになった。
• 本結果により、Pt/CoFe2O4ヘテロ構造が長距離にわたる、強固な誘導された強磁性状態を有することが示され、スピンオルソトロニクスおよびスピン論理への応用が可能であることが示された。