[論文レビュー] Manipulating chiral-spin transport with ferroelectric polarization

Xiaoxi Huang, Xianzhe Chen+29 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2023

Multiferroics and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、多铁性BiFeO₃における強誘電体極性の逆転を用いて、室温でも電場でねじれスピン輸送を制御することを示した。これにより、室温でも最大18%の整流効果が得られ、スピン励起子からのスピンターボルトが隣接する磁性層を効率的にスイッチング可能である。これにより、強誘電体ゲート制御によるスピン励起子伝播を用いた、全酸化物でエネルギー拡張可能な論理素子が実現可能である。

ABSTRACT

A collective excitation of the spin structure in a magnetic insulator can transmit spin-angular momentum with negligible dissipation. This quantum of a spin wave, introduced more than nine decades ago, has always been manipulated through magnetic dipoles, (i.e., timereversal symmetry). Here, we report the experimental observation of chiral-spin transport in multiferroic BiFeO3, where the spin transport is controlled by reversing the ferroelectric polarization (i.e., spatial inversion symmetry). The ferroelectrically controlled magnons produce an unprecedented ratio of up to 18% rectification at room temperature. The spin torque that the magnons in BiFeO3 carry can be used to efficiently switch the magnetization of adja-cent magnets, with a spin-torque efficiency being comparable to the spin Hall effect in heavy metals. Utilizing such a controllable magnon generation and transmission in BiFeO3, an alloxide, energy-scalable logic is demonstrated composed of spin-orbit injection, detection, and magnetoelectric control. This observation opens a new chapter of multiferroic magnons and paves an alternative pathway towards low-dissipation nanoelectronics.

研究の動機と目的

• 強誘電体極性の逆転を用いて、多铁性BiFeO₃における電場によるねじれスピン輸送の制御を実証すること。
• 高い効率で制御可能な、室温下でのスピン励起子媒介スピン輸送を達成すること。
• 強誘電体制御によるスピン励起子伝播に基づく、全酸化物でエネルギー拡張可能な論理アーキテクチャを開発すること。
• BiFeO₃/SrIrO₃ヘテロ構造におけるスピンターボルト効率および非局所スピン輸送を定量すること。

提案手法

• PtおよびSrIrO₃ワイヤーを用いたスピン軌道注入および検出を伴う、横方向の非局所スピン輸送測定を実施。BiFeO₃膜上に実施。
• 面内電場パルスを印加して強誘電体極性をスイッチングし、スピン励起子電流を変調。100秒間の電圧信号を測定。
• スピンホール効果（一次高調波電圧）およびスピンペルティン効果（二次高調波電圧）を用いてスピン励起子を生成および検出。
• 強誘電体ドメインスイッチングと相関するヒステリシス的でバタフライ型の電圧応答を観測。極性制御の妥当性を確認。
• 距離依存の非局所電圧信号を、拡散的スピン励起子伝播モデルにフィット：$ R_{\rm{nl}} = \frac{C}{\rho} \frac{\rm{exp}(d/\rho)}{1 - \rm{exp}(2d/\rho)} $。これにより、拡散長が約0.17 μmおよび約0.25 μmの値が得られた。
• 逆スピンホール電圧を $ V_{\rm{ISHE}} = \frac{\theta_{\rm{SOT}} \rho_{\rm{SD}} \tanh(t_{\rm{SIO}}/(2\rho_{\rm{SD}})) L}{t_{\rm{SIO}} \rho_{\rm{SIO}}} J_{\rm{S}} $ を用いて計算。10 nmのBiFeO₃厚さに対して約10 mVの出力が予測された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温下で、強誘電体極性の逆転が多铁性BiFeO₃におけるねじれスピン輸送を制御可能か？
• RQ2 BiFeO₃/SrIrO₃ヘテロ構造において、スピン励起子誘導スピンターボルトの効率はどの程度か？
• RQ3 非局所スピン励起子電流は、強誘電体ドメイン状態および電極間隔にどのように依存するか？
• RQ4 強誘電体制御によるスピン励起子輸送は、スケーラブルで全酸化物のスピントロニクス論理素子を実現可能か？
• RQ5 SrIrO₃をスピン検出素子として用いた垂直型スピン励起子ベースのMESOデバイスの予測出力電圧はどの程度か？

主な発見

• 室温下で、BiFeO₃における強誘電体極性の逆転により、スピン励起子輸送に最大18%の整流比が得られた。
• 上向きの強誘電体極性下では、SrRuO₃の磁化反転に必要な臨界スイッチング電流が低く、より高いスピン透過効率を示した。
• BiFeO₃/SrIrO₃における非局所電圧信号は、BiFeO₃/Ptに比べて約1桁大きい（約1 μV vs. 約0.1 μV）。
• 距離依存の非局所信号は、拡散的スピン励起子伝播モデルにフィットし、有効拡散長は約0.17 μm（スピンホール駆動）および約0.25 μm（熱駆動）であった。
• 理論的モデルにより、10 nmのBiFeO₃厚さに対して逆スピンホール電圧が約10 mVに達することが予測された。これはMESOの目標値100 mVに近い。
• ヒステリシス的でバタフライ型の電圧応答は、耐障害性があり、電場で制御可能なスピン励起子輸送が実現していることを確認した。コercive電場は強誘電体スイッチングと一致した。