[논문 리뷰] Anisotropic spin-orbit torque generation in epitaxial SrIrO3 by symmetry design

Tianxiang Nan, Anderson, T. J.외 14명|PubMed Central|2018. 08. 20.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 에피택시얼 스트레인을 통해 결정대칭을 공학함으로써 에피택시얼 스트라이언트산옥시드(SrIrO3) 박막에서 실온에서 매우 효율적인 이방성 스핀-오비트 토크 생성을 입증한다. 옥시드 옥타에드론의 모서리가 공유되는 기하학적 배열의 기울기를 조절함으로써 연구자들은 대칭에 의존하는 스핀-오비트 결합을 통해 스핀-홀 토크 비율을 제어하며, 전자 밴드 구조에 의해 설계된 베리 위상(curvature) 덕분에 스핀-전하 변환의 강한 이방성을 달성한다.

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC), the interaction between the electron spin and the orbital angular momentum, can unlock rich phenomena at interfaces, in particular interconverting spin and charge currents. Conventional heavy metals have been extensively explored due to their strong SOC of conduction electrons. However, spin-orbit effects in classes of materials such as epitaxial 5d-electron transition metal complex oxides, which also host strong SOC, remain largely unreported. In addition to strong SOC, these complex oxides can also provide the additional tuning knob of epitaxy to control the electronic structure and the engineering of spin-to-charge conversion by crystalline symmetry. Here, we demonstrate room-temperature generation of spin-orbit torque on a ferromagnet with extremely high efficiency via the spin-Hall effect in epitaxial metastable perovskite SrIrO3. We first predict a large intrinsic spin-Hall conductivity in orthorhombic bulk SrIrO3 arising from the Berry curvature in the electronic band structure. By manipulating the intricate interplay between SOC and crystalline symmetry, we control the spin-Hall torque ratio by engineering the tilt of the corner-sharing oxygen octahedra in perovskite SrIrO3 through epitaxial strain. This allows the presence of an anisotropic spin-Hall effect due to a characteristic structural anisotropy in SrIrO3 with orthorhombic symmetry. Our experimental findings demonstrate the heteroepitaxial symmetry design approach to engineer spin-orbit effects. We therefore anticipate that these epitaxial 5d transition-metal oxide thin films can be an ideal building block for low-power spintronics.

연구 동기 및 목표

• 강한 스핀-오비트 결합을 보이는 5d 전이금속 산화물 박막, 특히 SrIrO3에서의 스핀-오비트 토크 생성을 탐구한다.
• 복합 산화물에서 강한 스핀-오비트 결합과 가변 전자 구조를 보이지만 보고된 스핀-오비트 효과가 부족한 문제를 해결한다.
• 에피택시얼 스트레인이 결정대칭을 제어함으로써 스핀-홀 토크의 이방성을 공학할 수 있음을 보여준다.
• 저전력 스핀트로닉스 응용을 위한 산화물 이중구조에서 스핀-오비트 효과를 조절하기 위한 대칭 설계 전략을 수립한다.

제안 방법

• 전자 밴드 구조의 베리 위상(curvature)에 기반한 정량적 예측: 옥타에드론 기하학적 배열이 기울어진 정방형 SrIrO3의 내재된 큰 스핀-홀 전도도 예측.
• 격자 매칭 기반 기질에 에피택시얼 성장으로 불안정한 퍼보스카이트 SrIrO3 박막을 형성하여 스트레인을 유도하고 산소 옥타에드론의 기울기를 제어한다.
• 에피택시얼 스트레인을 활용해 결정대칭을 조작하고, 그로 인해 스핀-오비트 결합의 이방성을 조절한다.
• 자기성층을 포함한 이중구조에서의 스핀-오비트 토크를 실험적으로 측정하여 토크 효율성과 이방성을 정량화한다.
• 스핀-오비트 결합과 구조적 이방성 간의 상호작용 분석을 통해 관측된 토크 이방성의 기원을 설명한다.
• 이론적 예측과 실험 결과를 비교하여 대칭이 스핀-홀 효과를 조절하는 데서의 역할을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SrIrO3에서의 에피택시얼 스트레인 공학이 산소 옥타에드론 기울기 제어를 통해 측정 가능한 스핀-오비트 토크 이방성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 정방형 SrIrO3의 결정학적 대칭은 스핀-홀 전도도와 토크 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 대칭 설계를 통해 5d 전이금속 산화물의 내재된 스핀-홀 전도도는 어느 정도 향상되고 조절될 수 있는가?
• RQ4 SrIrO3의 전자 밴드 구조에서의 베리 위상(curvature)은 강한 스핀-오비트 토크를 가능하게 하는 데서 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 에피택시얼 SrIrO3는 실온에서 저전력 스핀트로닉스 장치의 매우 효율적인 스핀-오비트 토크 소스로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 이론적 계산 결과, 전자 밴드 구조의 강한 베리 위상 덕분에 정방형 SrIrO3에서 큰 내재된 스핀-홀 전도도를 예측한다.
• 에피택시얼 스트레인이 모서리가 공유되는 산소 옥타에드론의 기울기를 제어적으로 유도함으로써 결정대칭과 스핀-오비트 결합의 이방성을 변화시킨다.
• 실험적으로 큰 스핀-홀 토크 이방성이 관측되었으며, 스트레인 유도된 대칭성 파괴에 의해 토크 효율성이 조절 가능하다.
• 스핀-홀 토크 비율은 결정학적 정렬에 따라 변동하며, 이는 스핀-오비트 반응에서의 구조적 이방성 존재를 확인한다.
• 고효율의 실온 스핀-오비트 토크 생성이 달성되었으며, 이는 에피택시얼 SrIrO3가 스핀트로닉스 응용에 실현 가능함을 보여준다.
• 이 연구는 복합 산화물에서 스핀-오비트 효과를 공학하기 위한 대칭 설계 전략을 수립하였으며, 산화물 기반 스핀트로닉스의 새로운 길을 열었다.