[論文レビュー] Oxide spin-orbitronics: spin-charge interconversion and topological spin textures

Felix Trier, Paul Noël+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 214被引用数 5

ひとこと要約

本論文は酸化物スピンオルビットロニクスをレビューし、SrTiO3ベースの2DEG、RuおよびIrベースの酸化物、およびスカイメーションなどのトポロジカルスピンテクスチャの電気的制御を含む酸化物プラットフォームにおけるスピン-電荷相互変換に焦点を当てている。主な結果として、SrTiO3 2DEGにおける巨大なスピン-電荷変換効率と、スカイメーションのフェロエレクトリック制御が得られ、低消費電力で非揮発性のスピントロニクス素子の実現が可能になった。

ABSTRACT

Quantum oxide materials possess a vast range of properties stemming from the interplay between the lattice, charge, spin and orbital degrees of freedom, in which electron correlations often play an important role. Historically, the spin-orbit coupling was rarely a dominant energy scale in oxides. It however recently came to the forefront, unleashing various exotic phenomena connected with real and reciprocal-space topology that may be harnessed in spintronics. In this article, we review the recent advances in the new field of oxide spin-orbitronics with a special focus on spin-charge interconversion from the direct and inverse spin Hall and Edelstein effects, and on the generation and observation of topological spin textures such as skyrmions. We highlight the control of spin-orbit-driven effects by ferroelectricity and give perspectives for the field.

研究の動機と目的

• 酸化物スピンオルビットロニクス分野における最近の進展をレビューし、特にスピン-電荷相互変換とトポロジカルスピンテクスチャに焦点を当てる。
• 非対称およびヘテロ構造系におけるスピンオルビット結合の役割を明らかにする。
• 酸化物ヘテロ構造におけるフェロエレクトリシティを用いたスピン-電荷変換およびスカイメーション形成の制御を調査する。
• 常温で動作する多機能性酸化物ベーススピントロニクス素子のための未解決の課題と今後の方向性を特定する。

提案手法

• SrTiO3ベースの2DEGにおける直接的および逆方向のスピンホール効果およびエーデルシュタイン効果を用いたスピン-電荷相互変換の調査。
• エpitaxial酸化物ヘテロ構造（例：SrRuO3/SrIrO3、SrTiO3/BaTiO3）を用いてスピンオルビット結合と界面効果を設計する。
• 電気的ゲーティングおよびフェロエレクトリックバックゲーティングを用いてスピン-電荷変換およびトポロジカルホール効果を調整する。
• 磁気抵抗測定、磁気力顕微鏡（MFM）、およびホール効果の特徴付けを用いてスカイメーションおよびスピンテクスチャを検出する。
• 理論的モデルを用いてラシュバスプリッティング、ジャローシュキン＝モリスキー相互作用（DMI）およびトポロジカルホール信号を解釈する。
• 二重線形磁気抵抗を用いて電荷-スピン変換およびラシュバ係数の推定を定量的に行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸化物2DEG、特にSrTiO3ベースの系におけるスピン-電荷変換はどの程度効率的か？
• RQ2 フェロエレクトリシティを用いて酸化物におけるスピン-電荷変換およびトポロジカルスピンテクスチャを電気的に制御できるか？
• RQ3 スピンオルビット結合および界面工学が、酸化物ヘテロ構造におけるスカイメーションの生成と安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 酸化物2DEGの輸送特性は、その背後にあるスピンテクスチャおよびトポロジカル秩序をどのように反映しているか？
• RQ5 酸化物ベースヘテロ構造を用いて、常温でトポロジカルスピンテクスチャを安定化および制御できるか？

主な発見

• SrTiO3ベースの2DEGでは、顕著なスピンホール効果およびエーデルシュタイン効果を伴う巨大なスピン-電荷変換効率が実証された。
• SrTiO3 2DEGにおいてフェロエレクトリックによるスピン-電荷変換の制御が達成され、ゲートで調整可能なスピン輸送特性が得られた。
• 超薄膜酸化物ヘテロ構造（SrRuO3/SrIrO3バイレイヤーを含む）においてスカイメーションが観測され、電気的にチューニング可能であった。
• 多フェロ酸化物ヘテロ構造において、常温でスカイメーションのエムブリオ（初期状態）が安定化され、常温動作への可能性が示された。
• SrRuO3/BaTiO3ヘテロ構造におけるフェロエレクトリックバックゲーティングにより、スカイメーションの存在と直接関連するトポロジカルホール効果の電気的制御が可能になった。
• 二重線形磁気抵抗が、酸化物2DEGにおけるラシュバスピンスプリットの定量的プローブおよび電荷-スピン変換の解析に有望なツールであることが同定された。