[論文レビュー] Strong enhancement of the spin Hall effect by spin fluctuations near the Curie point of FexPt1-x alloys

Yongxi Ou, D. C. Ralph+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2018

Magnetic properties of thin films被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、フェア・アラミド合金FeₓPt₁₋ₓのCurie温度付近でスピンフラクチュエーションがスピンホール効果を顕著に増幅させることを示しており、ピークとなるスピンホール比は0.34 ± 0.02に達する。この効果は動的スピンフラクチュエーションに起因し、大きなスピン軌道トーキーを生成することで、磁気的遷移を調整可能なスピンフラクチュエーションが強いフェリオマグネティック系における効率的なスピン電流生成を可能にする。

ABSTRACT

Robust spin Hall effects (SHE) have recently been observed in non-magnetic heavy metal systems with strong spin-orbit interactions. These SHE are either attributed to an intrinsic band-structure effect or to extrinsic spin-dependent scattering from impurities, namely side-jump or skew scattering. Here we report on an extraordinarily strong spin Hall effect, attributable to spin fluctuations, in ferromagnetic FexPt1-x alloys near their Curie point, tunable with x. This results in a damping-like spin-orbit torque being exerted on an adjacent ferromagnetic layer that is strongly temperature dependent in this transition region, with a peak value that indicates a lower bound 0.34 (+-) 0.02 for the peak spin Hall ratio within the FePt. We also observe a pronounced peak in the effective spin-mixing conductance of the FM/FePt interface, and determine the spin diffusion length in these FexPt1-x alloys. These results establish new opportunities for fundamental studies of spin dynamics and transport in ferromagnetic systems with strong spin fluctuations, and a new pathway for efficiently generating strong spin currents for applications.

研究の動機と目的

• フェリオマグネティックFeₓPt₁₋ₓ合金におけるCurie温度付近で観測された異常な大きさのスピンホール効果の起源を調査すること。
• スピンホール効果の増幅が、内在的または外在的メカニズムではなく、スピンフラクチュエーションに起因するかどうかを特定すること。
• FeₓPt₁₋ₓにおけるスピンホール比およびスピン拡산長を、磁気転移付近で定量すること。
• 強いスピンフラクチュエーションを示すフェリオマグネティック系におけるスピン電流生成およびスピン軌道トーキーに及ぼす影響を検討すること。

提案手法

• FeₓPt₁₋ₓ薄膜におけるスピンホール効果を、組成（x）およびCurie点付近の温度範囲で測定する。
• スピン極化輸送測定を用いて、FM/FePt界面におけるスピンホール比および有効スピンミキシング伝導度を抽出する。
• 磁化および抵抗率の温度依存測定を適用し、スピンフラクチュエーションとスピンホール応答の相関を評価する。
• スピン軌道トーキーの温度依存性を分析し、スピンフラクチュエーションによる寄与を特定する。
• スピンホール効果が静的散乱メカニズムではなく、動的スピンフラクチュエーションに起因するものとしてモデル化する。
• スピン輸送信号の温度および組成依存性からスピン拡散長を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeₓPt₁₋ₓがCurie温度付近でスピンホール効果が顕著に増幅される原因は何ですか？
• RQ2 スピンフラクチュエーションが、フェリオマグネティック重金属における観測されたスピンホール効果の主因であると考えられるでしょうか？
• RQ3 FeₓPt₁₋ₓ合金におけるスピンホール比は、温度および組成にどのように依存するでしょうか？
• RQ4 FM/FePt界面における有効スピンミキシング伝導度は何か？また、その温度依存性はどのようになりますか？
• RQ5 FeₓPt₁₋ₓ合金におけるスピン拡散長は何か？また、スピンフラクチュエーションダイナミクスとどのように関係していますか？

主な発見

• FeₓPt₁₋ₓのCurie温度付近でスピンホール効果に顕著なピークが観測され、最大のスピンホール比は0.34 ± 0.02に達する。
• スピンホール効果は温度に強く依存しており、内在的または外在的散乱メカニズムではなく、動的スピンフラクチュエーションに起因するとされる。
• FM/FePt界面における有効スピンミキシング伝導度に顕著なピークが観測され、最大のスピンホール応答と相関している。
• スピン拡散長は、温度依存的なスピン輸送測定から決定された。
• 隣接するフェリオマグネティック層に作用するダンピング・ライクなスピン軌道トーキーは、Curie点付近で強い温度依存性を示しピークを示す。
• 本結果により、強いスピン軌道結合を示すフェリオマグネティック系における大規模なスピン電流生成のためのスピンフラクチュエーションが、新たなメカニズムであることが確立された。