[論文レビュー] Non-trivial charge-to-spin conversion in ferromagnetic metal/Cu/Al2O3 by orbital transport

Junyeon Kim, Dongwook Go+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 55被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、重元素を用いない鉄磁性金属/Cu/Al2O3三層異種接合構造において、スピン軌道効果ではなく軌道輸送に依存する、非常に効率的な電荷-スピン変換を実証した。観測されたスピンターブル効率は、Pt や Bi などの従来の重元素系よりも優れている。これは、スピン軌道効果とは異なる、軌道電流を介したスピン生成の新しいメカニズムであることを示しており、標準的なスピン輸送モデルとは逸脱している。

ABSTRACT

Efficient spin/charge interconversion is desired to develop innovative spin-based devices. So far, the interconversion has been performed by using heavy atomic elements, strong spin-orbit interaction of which realizes the interconversion through the spin Hall effect and the Edelstein effect. We demonstrate highly efficient charge-to-spin conversion in a ferromagnetic metal/Cu/Al2O3 trilayers, which do not contain any heavy element. The resulting spin torque efficiency is higher than those of conventional spin Hall and Rashba systems consisting of heavy elements such as Pt and Bi. Our experimental results qualitatively deviate from typical behaviors arising from spin transport. However, they are surprisingly consistent with the behaviors arising from the orbital transport. Our results thus demonstrate a new direction for efficient charge-to-spin conversion through the orbital transport.

研究の動機と目的

• 重元素に依存しない酸化物系異種接合構造における効率的な電荷-スピン変換を達成すること。
• スピン軌道結合とは異なる、例えば軌道輸送のような代替的なスピン生成メカニズムを調査すること。
• 遷移金属/酸化物系におけるスピンターブル効率が、従来のスピンホール効果およびラシュバ効果系を上回ることを実証すること。
• 軌道自由度に根ざした非自明な電荷-スピン変換メカニズムの同定と検証すること。

提案手法

• 分子線エpitaxyおよびスパッタリング法を用いた鉄磁性金属/Cu/Al2O3三層構造の作製。
• 電荷-スピン変換効率を調べるためにスピン極化輸送測定を実施。
• スピン輸送と軌道輸送の寄与を区別するために、角度依存性磁気抵抗およびスピンターブル測定を用いる。
• 性能優位性を確立するために、Pt や Bi を用いたベンチマーク系と比較してスピンターブル効率を評価。
• 標準的なスピン輸送とは逸脱する観測された非自明な挙動を説明するため、軌道電流寄与に基づく理論的モデリングを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重元素を用いない鉄磁性金属/Cu/Al2O3異種接合構造において、効率的な電荷-スピン変換を達成できるか？
• RQ2 強いスピン軌道結合が存在しない状況下で、軌道輸送が電荷-スピン変換に顕著に寄与するか？
• RQ3 本系におけるスピンターブル効率は、従来のスピンホール効果およびラシュバ効果系と比較してどうなるか？
• RQ4 なぜ実験的結果がこのような異種接合構造における一般的なスピン輸送行動から逸脱しているのか？

主な発見

• 鉄磁性金属/Cu/Al2O3三層構造は、Pt や Bi を用いた系よりも高い電荷-スピン変換効率を示した。
• 観測されたスピンターブル効率は、従来の重元素系を上回っており、スピン生成の新たな道筋を示している。
• 実験結果は、標準的なスピン輸送モデルとは定性的に逸脱しており、非自明なメカニズムを示唆している。
• データは、スピン軌道効果に起因する効果（例えばスピンホール効果やエーデルシュタイン効果）ではなく、軌道輸送によって一貫して説明できる。
• 結果は、酸化物系異種接合構造において、軌道自由度が効率的な電荷-スピン変換を駆動できることを示している。