[論文レビュー] Room Temperature Spin Pumping in Topological Insulator Bi2Se3

Mahdi Jamali, Joon Sue Lee+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、磁化力学を介して、三次元トポロジカル絶縁体Bi2Se3に室温でのスピンポンプを実証した。これにより、逆スピンホール効果を介した効率的なスピン注入および検出が可能になった。主な結果として、フェリ磁性共鳴線幅が五倍に広がり、スピン混合伝導度は最大3.4×10^20 m⁻²、室温におけるBi2Se3のスピンホール角度は最大0.23に達した。

ABSTRACT

Three-dimensional (3D) topological insulators are known for their strong spin-orbit coupling and the existence of spin-textured topological surface states which could be potentially exploited for spintronics. Here, we investigate spin pumping from a metallic ferromagnet (CoFeB) into a 3D topological insulator (Bi2Se3) and demonstrate successful spin injection from CoFeB into Bi2Se3 and the direct detection of the electromotive force generated by the inverse spin Hal effect (ISHE) at room temperature. The spin pumping, driven by the magnetization dynamics of the metallic ferromagnet, introduces a spin current into the topological insulator layer, resulting in a broadening of the ferromagnetic resonance (FMR) linewidth. We find that the FMR linewidth more than quintuples, the spin mixing conductance can be as large as 3.4*10^20m^-2 and the spin Hall angle can be as large as 0.23 in the Bi2Se3 layer.

研究の動機と目的

• 室温におけるトポロジカル絶縁体でのスピン注入および検出を調査すること。
• スピンポンプを用いてBi2Se3がスピントロニクスチャネル材料としての可能性を検討すること。
• 常温条件下におけるBi2Se3のスピン輸送特性、例えばスピン混合伝導度およびスピンホール角度を測定すること。
• フェリ磁性金属からトポロジカル絶縁体層へのスピン電流転送が存在することを確認すること。
• 逆スピンホール効果を用いたスピン電流生成および検出の効率を評価すること。

提案手法

• スapphire基板上にCoFeB（フェリ磁性金属）およびBi2Se3（トポロジカル絶縁体）のヘテロ構造を形成した。
• フェリ磁性共鳴（FMR）を用いてCoFeB層の動的磁化を励起し、スピンポンプによりスピン電流を生成した。
• 注入されたスピン電流は、逆スピンホール効果（ISHE）により検出され、横方向の電圧が発生した。
• FMR線幅の広がりを、トポロジカル絶縁体へのスピン電流転送の直接的証拠として測定した。
• FMR線幅およびISHE電圧の測定結果から、スピン混合伝導度およびスピンホール角度を抽出した。
• 実用的スピントロニクス素子への可能性を評価するため、室温下で測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温下でCoFeBフェリ磁性金属からBi2Se3トポロジカル絶縁体へのスピンポンプが効果的に実現可能か？
• RQ2 室温下におけるCoFeB/Bi2Se3界面のスピン混合伝導度の大きさはどの程度か？
• RQ3 室温下のスピンポンプ条件下におけるBi2Se3のスピンホール角度はどの程度か？
• RQ4 フェリ磁性金属からのスピン電流注入が、トポロジカル絶縁体のFMR線幅をどの程度広げるか？
• RQ5 室温下で逆スピンホール効果を用いてBi2Se3におけるスピン電流を検出可能か？

主な発見

• スピンポンプによるBi2Se3へのスピン電流注入のおかげで、フェリ磁性共鳴線幅が五倍以上に広がり、効率的なスピン電流注入が確認された。
• 室温下におけるCoFeB/Bi2Se3界面のスピン混合伝導度は最大3.4×10^20 m⁻²に達した。
• Bi2Se3におけるスピンホール角度は最大0.23に測定され、強いスピン軌道結合効果を示した。
• 室温下での逆スピンホール電圧の検出により、トポロジカル絶縁体層内にスピン電流が存在することが確認された。
• 観測されたスピン電流転送および検出は、常温条件下でも安定的かつ再現可能であり、実用的スピントロニクス応用の可能性を示した。
• 結果から、大きなスピンホール角度と室温下での効率的なスピン注入を有するため、Bi2Se3が高性能スピントロニクス材料としての可能性を示した。