[論文レビュー] Tunable sign change of spin Hall magnetoresistance in Pt/NiO/YIG structures

Dazhi Hou, Zhiyong Qiu+8 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Oct 24, 2016

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、NiOの厚さと温度を制御することにより、Pt/NiO/YIG三層構造におけるスピンホール磁気抵抗（SMR）の符号を可変に制御することに成功した。低温における負のSMRは、NiOのネール秩序とYIGの磁化との間のスピンフロップ結合に起因し、これが高温におけるYIGの正のSMR寄与と競合することで、温度またはNiOの厚さを用いてSMR符号の逆転を実現できる。

ABSTRACT

Spin Hall magnetoresistance (SMR) has been investigated in Pt/NiO/YIG structures in a wide range of temperature and NiO thickness. The SMR shows a negative sign below a temperature which increases with the NiO thickness. This is contrary to a conventional SMR theory picture applied to Pt/YIG bilayer which always predicts a positive SMR. The negative SMR is found to persist even when NiO blocks the spin transmission between Pt and YIG, indicating it is governed by the spin current response of NiO layer. We explain the negative SMR by the NiO 'spin-flop' coupled with YIG, which can be overridden at higher temperatures by positive SMR contribution from YIG. This highlights the role of magnetic structure in antiferromagnets for transport of pure spin current in multilayers.

研究の動機と目的

• 従来のSMR理論とは対照的に、Pt/NiO/YIGヘテロ構造で観測される異常な負のスピンホール磁気抵抗（SMR）の起源を解明すること。
• NiOの厚さと温度がSMRの符号に与える影響を特定し、強誘電体がスピン透過効率を僅かに変化させるという仮定に挑戦すること。
• NiOからの負のSMRとYIGからの正のSMRの競合を説明する現象論的モデルを確立し、符号反転を誘導すること。
• スピンポンプ測定とSMR測定を用いてモデルを検証し、温度依存的なNiOの透過率とスピン電流透過の関係を結びつけること。

提案手法

• Pt/NiO/YIGにおける界面スピン電流を記述する現象論的モデルを提案し、NM/AFMおよびNM/FI寄与を線形結合で統合した。
• スピンポンプデータから導出された温度依存透過関数 $ t(T) \triangleq G_F(e^{aT} - 1) $ を導入し、NiOのスピン透過効率を記述した。
• 拡散方程式とオンサーガーの原理を用いてSMRを計算し、抵抗率の変化を式 (2) で表した。ここにはスピンホール角 $ \theta_{\text{SHE}} $、スピン拡散長 $ \rho_N $、界面伝導度が含まれる。
• 固定パラメータ（$ \theta_{\text{SHE}} = 0.05 $、$ d_N = 4.0 $ nm、$ \rho_0 = 860 $ $ \text{nm}\times\text{nm} $、$ \tau_N = 1.5 $ nm）を用いてSMRデータにフィットし、実験データから $ G_{AF} $ と $ G_F $ を抽出した。
• NiOのネール温度付近およびそれ以上の温度領域のデータを除外し、指数関数的フィッティングの有効性を保証した。中間温度領域に焦点を当てた。
• 複数の $ d_{\text{NiO}} $ を有するサンプルにおいて、NiOの厚さ依存的なSMR符号反転を再現することで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜPt/NiO/YIGは、従来のPt/YIGバイライナーとは対照的に低温で負のSMRを示すのか？
• RQ2 NiOの厚さは、SMR符号が反転する温度にどのように影響を与えるのか？
• RQ3 負のSMR寄与の起源は何か？また、PtとYIGの間で直接的なスピン伝達が遮断されている状態でも、なぜその寄与が持続するのか？
• RQ4 NiOとYIGからのSMR寄与の競合は、どのようにSMRの符号を可変化させるのか？
• RQ5 温度依存的なスピン透過率を組み込んだ現象論的フレームワークを用いて、観測されたSMR挙動を定量的にモデル化できるか？

主な発見

• SMRの符号は温度上昇に伴い負から正に反転し、その転移温度はNiOの厚さが増すにつれて上昇する。
• NiOがPtとYIGの間で直接的なスピン伝達を完全に遮断している場合でも、負のSMRが持続する。これは、NiOの内在的スピン電流応答に起因することを示している。
• 負のSMRは、NiOのネール秩序とYIGの磁化との間のスピンフロップ結合に起因し、低温域で支配的である。
• 高温域ではYIGからの正のSMR寄与が優勢となり、NiOからの負の寄与を上回り、符号クロスオーバーを引き起こす。
• 温度依存透過関数 $ t(T) = G_F(e^{aT} - 1) $ を用いた現象論的モデルは、全測定サンプルにおけるNiO厚さ依存的なSMR符号反転を成功裏に再現した。
• フィットパラメータから、$ G_{AF} $（NiO界面伝導度）はNiOの厚さが増すにつれて減少する一方、$ G_F $（YIG伝導度）も減少しており、これは厚いNiO層ではスピン電流透過効率が低下することを示している。