[論文レビュー] Orbital Pumping by Magnetization Dynamics in Ferromagnets

Dongwook Go, Kazuya Ando+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Magnetic Properties of Alloys被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スピン・オービタル結合を介して、強磁性体における磁化力学が非平衡の軌道的角運動量（軌道ポンプ効果）を生成できることを提案している。第一原理計算により、軌道ポンプ効果はスピンポンプ効果の5–15%に達し、Niで最大、Feで最小であることが示された。これは、Ti/Niでは顕著な軌道ポンプ効果が観測されるが、Ti/Feでは抑制されるという実験的観察を説明する。

ABSTRACT

We show that dynamics of the magnetization in ferromagnets can pump the orbital angular momentum, which we denote by orbital pumping. This is the reciprocal phenomenon to the orbital torque that induces magnetization dynamics by the orbital angular momentum in non-equilibrium. The orbital pumping is analogous to the spin pumping established in spintronics but requires the spin-orbit coupling for the orbital angular momentum to interact with the magnetization. We develop a formalism that describes the generation of the orbital angular momentum by magnetization dynamics within the adiabatic perturbation theory. Based on this, we perform first-principles calculation of the orbital pumping in prototypical $3d$ ferromagnets, Fe, Co, and Ni. The results show that the ratio between the orbital pumping and the spin pumping ranges from 5 to 15 percents, being smallest in Fe and largest in Ni. This implies that ferromagnetic Ni is a good candidate for measuring the orbital pumping. Implications of our results on experiments are also discussed.

研究の動機と目的

• 強磁性体における軌道的角運動量ポンプ効果の理論的枠組みを確立すること。
• 第一原理手法を用いて、3d強磁性体（Fe、Co、Ni）におけるスピンポンプ効果に比して軌道ポンプ効果の大きさを定量化すること。
• Ti/NiおよびTi/Feバイライヤーにおける実験的差異（Niでは強い信号、Feではほぼ完全な抑制）を説明すること。
• スピン・オービタル結合および電子構造が、特にd電子殻の充満度が異なる系において、軌道ポンプ効果を可能にする役割を明らかにすること。
• 今後の実験的検出（逆軌道ホール効果や関連現象を介した軌道的角運動量生成）の理論的根拠を提供すること。

提案手法

• 磁化力学による軌道的角運動量生成を記述するための断熱的摂動理論に基づく形式的枠組み。
• 磁化の進動に対する軌道的角運動量の線形応答を記述するグリーン関数の導出。
• Fe、Co、Niにおける軌道ポンプテンソル成分の計算に、スピン・オービタル結合を含む第一原理密度汎関数理論（DFT）を用いる。
• エネルギー幅（Γ）の関数として応答関数χαβLを計算し、そのロバストネスと本質的挙動を評価する。
• d電子の充満度とフンズ則の挙動（Fe：d6、Co：d7、Ni：d8）に伴う軌道ポンプ効果の依存性の分析。
• Hayashiらの実験データ（Ti/NiおよびTi/Feバイライヤー）と理論予測を比較し、特に軌道ポンプ効果のDC成分に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性体における磁化力学が非平衡の軌道的角運動量を生成できるか。その背後にあるメカニズムは何か？
• RQ2 Fe、Co、Niなどの3d強磁性体において、軌道ポンプ効果の大きさはスピンポンプ効果に比べてどの程度か？
• RQ3 理論的予測と矛盾するが、Ti/Niバイライヤーでは観測されるが、Ti/Feバイライヤーではほぼ観測されない軌道ポンプ効果の原因は何か？
• RQ4 スピン・オービタル結合は、磁化力学と軌道的角運動量の間の結合をどのように媒介するか？
• RQ5 d殻電子の充満度とフンズ則の挙動は、軌道ポンプ効果の強度にどのように寄与するか？

主な発見

• 軌道ポンプ効果は、軌道的トルクの逆効果として生じ、スピン・オービタル結合が軌道的角運動量と磁化の間の相互作用を可能にする必要がある。
• 軌道ポンプ効果とスピンポンプ効果の比は、Feでは5%、Niでは15%の範囲にあり、d電子の充満度にフンズ則に類似した依存性が強いことが示された。
• 第一原理計算により、Niが最大の軌道ポンプ効果を示し、実験的検出に最も有望な候補であることが確認された。
• Ti/Feバイライヤーにおける軌道ポンプ効果の実験的抑制は、体積的Feの性質だけでは説明できず、界面伝達効果が支配的であると示唆された。
• エネルギー幅（Γ）依存性の分析から、スピンポンプ効果に比べて軌道ポンプ効果は散乱に対してより敏感であることが判明した。これは、スピン・オービタル結合のエネルギースケールが小さいためである。
• 理論的予測は、最近の逆軌道ホール効果および軌道的セーベック効果に関する実験と整合しており、強磁性ヘテロ構造におけるOAMベースの現象の実現可能性を支持する。