[論文レビュー] Strain Dependent Spin Hall Magnetoresistance in the Multiferroic Antiferromagnet BiFeO$_3$

Daniel Sando, Si Chen+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2023

Multiferroics and related materialsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial BiFeO3薄膜に生じる応力誘起構造相—ルーマホードラ型（R'）およびテトラゴナル型（T'）—が、異なるスピンホール磁気抵抗（SMR）応答を示すことを示した。両相とも正のSMRを示し、これがねじれた強磁性モーメントを示すが、T' BFOは室温で強化されたSMRを示し、冷却に伴い減少するのに対し、R' BFOは逆の傾向を示し、弱い強磁性と一致する。この差は、磁場誘起磁化モーメントの寄与が相によって異なることに起因する：T' BFOでは、外部磁場が直接モーメントを誘起するが、R' BFOでは、ネールベクトルが介在することでモーメントが誘起される。この結果、スピントロニクス応用のための応力可変SMRが実現される。

ABSTRACT

The spin Hall magnetoresistance (SMR) of epitaxial BiFeO$_3$ thin films is investigated. SMR consistent with ferromagnetic interfacial states for BiFeO$_3$ films fabricated on (001) SrTiO$_3$ (R' BFO) and LaAlO$_3$ (T' BFO) substrates is found, albeit with different temperature dependencies. For T' BFO, the SMR is enhanced at room temperature, and decays with reduced temperatures. By contrast, R' BFO shows a monotonic decrease in SMR response with increasing temperature, mirroring the trend of a weak ferromagnet. Density functional theory shows that this difference originates from the coupling of the applied magnetic field to oxygen octahedral rotation (R') and spin (T') degrees of freedom.

研究の動機と目的

• エpitaxial応力およびBiFeO3薄膜の構造相（R' 対 T'）がスピンホール磁気抵抗（SMR）に与える影響を調査すること。
• R'-およびT'-相BiFeO3におけるSMRの温度依存性の相反する理由を特定すること。
• 反強磁性BiFeO3における弱い強磁性およびスピン-格子結合がスピントロニクス応用に果たす役割を調査すること。
• SMRを多フェロ酸化物における界面磁気的異方性および磁場誘起スピン応答の感受性プローブとして確立すること。

提案手法

• R' BFOは（001）SrTiO3、T' BFOは（001）LaAlO3基板上にエpitaxialBiFeO3薄膜を成長させ、異なる面内圧縮応力を誘起した。
• ホールバー構造とPtキャッピング層を用いて、温度および磁場の関数としてスピンホール磁気抵抗（SMR）を測定した。
• ドメイン再配列、スピンフロップ転移、線形磁化モーメント応答を区別するために、磁場依存SMR測定を実施した。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、磁場、酸素オクタヘドロン回転（R'）およびスピン自由度（T'）の間の結合を分析した。
• モスバウアー分光法を用いて磁気的状態を確認し、弱い強磁性の存在を検証した。
• 理論的モデリングにより、観察されたSMR挙動がT' BFOにおける磁場誘起磁化モーメントとR' BFOにおけるLベクトル媒介モーメントに起因することを結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BiFeO3薄膜におけるエpitaxial応力が、スピンホール磁気抵抗（SMR）の温度依存性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 なぜT'-相BiFeO3は室温で強化されたSMRを示すのに対し、R'-相は低温で最大SMRを示すのか？
• RQ3 BiFeO3のT'およびR'構造相における異なるSMR応答の起源は何か？
• RQ4 ネールベクトルと外部磁場が、反強磁性BiFeO3で観察されたSMR信号をどのように生成するのか？
• RQ5 SMRは、多フェロ酸化物における界面磁気的異方性および磁場誘起スピン応答を信頼性高くプローブできるか？

主な発見

• T'-相BiFeO3は300 Kで強化されたSMRを示し、冷却に伴い単調に減少する。これは磁場誘起モーメント応答を示唆する。
• R'-相BiFeO3は5 Kで最大SMRを示し、温度上昇に伴い減少する。これは弱い強磁性の挙動と一致する。
• 両相の磁場依存SMR測定では、Δρxy と H の間に線形関係が観察され、信号の起源がドメイン再配列やスピンフロップ転移である可能性は排除された。
• DFT計算により、SMRの差が磁場と酸素オクタヘドロン回転（R'）およびスピン自由度（T'）の間の結合に起因することを確認した。
• T' BFOにおけるSMR応答は磁場誘起磁化モーメントに支配され、R' BFOではネールベクトル（L）が介在するモーメントに支配され、温度依存性の相反する挙動が説明された。
• 本結果により、応力工学を用いることで、多フェロ酸化物の反強磁性体におけるSMRの大きさおよびその温度依存性をスピントロニクス応用に向け調整可能であることが示された。