[論文レビュー] Spin - Phonon Coupling in Nickel Oxide Determined from Ultraviolet Raman Spectroscopy

Ece Aytan, Bishwajit Debnath+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2017

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 58被引用数 63

ひとこと要約

本論文は、紫外線ラマン分光法を用いてNiOにおけるスピン–格子振動結合を定量化できることを示し、NiスピンがLO格子振動とTO格子振動の間で相互作用がより強いこと、そして格子振動エネルギーに対する効果が反対であることを明らかにし、密度汎関数理論の傾向と一致している。

ABSTRACT

Nickel oxide (NiO) has been studied extensively for various applications ranging from electrochemistry to solar cells [1,2]. In recent years, NiO attracted much attention as an antiferromagnetic (AF) insulator material for spintronic devices [3-10]. Understanding the spin - phonon coupling in NiO is a key to its functionalization, and enabling AF spintronics' promise of ultra-high-speed and low-power dissipation [11,12]. However, despite its status as an exemplary AF insulator and a benchmark material for the study of correlated electron systems, little is known about the spin - phonon interaction, and the associated energy dissipation channel, in NiO. In addition, there is a long-standing controversy over the large discrepancies between the experimental and theoretical values for the electron, phonon, and magnon energies in NiO [13-23]. This gap in knowledge is explained by NiO optical selection rules, high Neel temperature and dominance of the magnon band in the visible Raman spectrum, which precludes a conventional approach for investigating such interaction. Here we show that by using ultraviolet (UV) Raman spectroscopy one can extract the spin - phonon coupling coefficients in NiO. We established that unlike in other materials, the spins of Ni atoms interact more strongly with the longitudinal optical (LO) phonons than with the transverse optical (TO) phonons, and produce opposite effects on the phonon energies. The peculiarities of the spin - phonon coupling are consistent with the trends given by density functional theory calculations. The obtained results shed light on the nature of the spin - phonon coupling in AF insulators and may help in developing innovative spintronic devices.

研究の動機と目的

• 反強磁性絶縁体およびスピントロニクスへの関連性から、NiOにおけるスピン–格子振動結合の研究を動機づける。
• NiOにおけるスピン–格子振動結合係数を定量化するための紫外線ラマン分光法のアプローチを開発する。
• どの格子振動モード（LO対TO）がNiスピンとより強く結合するか、そしてそれらが格子振動エネルギーにどう影響するかを特定する。
• 実験結果を密度汎関数理論の傾向と比較して、NiOにおけるエネルギー散逸経路を明らかにする。

提案手法

• NiOを探索するために紫外線ラマン分光法を用い、スピン–格子振動結合係数を抽出する。
• Niスピンと縦方向光学（LO）および横方向光学（TO）格子振動との相互作用を分析する。
• スピン–格子振動結合が格子振動エネルギーに与える影響を特定し、シフトの符号と大きさを示す。
• 実験結果を密度汎関数理論（DFT）の予測と比較して整合性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 紫外線ラマン分光法はNiOにおけるスピン–格子振動結合係数を定量化できるか？
• RQ2 NiスピンはLO格子振動とTO格子振動に異なる結合を示すか、各々のエネルギーシフト符号はどうなるか？
• RQ3 NiOにおける観測されたスピン–格子振動結合の傾向は密度汎関数理論計算と一致するか？
• RQ4 反強磁性NiOにおけるスピン–格子振動相互作用がスピントロニクス機能に与える影響は何か？

主な発見

• NiOのスピンはLO格子振動の方とTO格子振動の方よりも強く相互作用する。
• スピン–格子振動結合はLO格子振動エネルギーとTO格子振動エネルギーに対して反対の効果を生む。
• 観測された結合傾向は密度汎関数理論計算と一致している。