[논문 리뷰] Anomalous spin orbit torques with large Rashba spin orbit coupling in epitaxial Pt/Co bilayers

Ye Du, Shutaro Karube외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 28.

Magnetic properties of thin films인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 강한 라슈바 스핀 궤도 결합을 갖는 에pi택시얼 Pt/Co 이중층에서 기록적인 역 에델슈타인 길이(λ_IEE ≈ 수 나노미터)를 나타내며, 이는 필드-유사 스핀 궤도 토크 효율을 10배 향상시키고, 감쇠-유사 토크 효율을 2배로 높이는 데 기여한다. 결과는 라슈바-에델슈타인 효과와 부피 스핀 홀 효과를 통합한 새로운 드리프트-디퓨전 모델을 통해 설명되며, 스핀트로닉스 장치에서 스핀 궤도 토크를 정밀하게 설계할 수 있게 한다.

ABSTRACT

The Rashba-Edelstein effect (REE), which characterizes the generation of a transverse spin polarization at interfaces with a longitudinal external electrical field, provides new opportunities to the efficient spin current generation and the manipulation of spin orbit torques (SOTs) in magnetic hetero-structures. Here in this work, we report an exceptionally large interfacial charge-to-spin conversion efficiency (i.e. the inverse Edelstein length Lamda_IEE of a few nanometers) in epitaxial (epi-) Pt/Co bilayers from a REE-induced magnetoresistance analysis using a new drift-diffusion model that incorporates both REE and bulk spin Hall effect. From the spin torque ferromagnetic resonance analysis, a tenfold enhancement in the field-like (FL) SOT efficiency is demonstrated compared to polycrystalline samples, showing quantitative consistency with the large Lamda_IEE. Additionally, a twofold increase in the damping-like (DL) SOT efficiency is observed in epi-samples, with Pt films having lower resistivity. Our study demonstrates that both DL- and FL-SOTs can be significantly modulated by the Rashba SO coupling with hetero-interface modification, providing new perspectives to the engineering of SOTs in spintronic devices.

연구 동기 및 목표

• 인터페이스 라슈바 스핀 궤도 결합이 자기 이종구조에서 스핀 궤도 토크 효율을 향상시키는 데 미치는 영향을 조사하는 것.
• 새로운 드리프트-디퓨전 모델을 사용하여 에피택시얼 Pt/Co 이중층에서의 인터페이스 전하-스핀 변환 효율(λ_IEE)을 정량화하는 것.
• 라슈바-에델슈타인 효과와 측정 가능한 스핀 토크 편자성 공명 반응 간의 상관관계를 규명하는 것.
• 에피택시얼 시스템에서 이종계면 수정을 통한 스핀 궤도 토크의 공학 가능성을 입증하는 것.
• 필드-유사 및 감쇠-유사 토크 효율 측면에서 에피택시얼 대비 다결정 Pt/Co 샘플의 성능을 비교하는 것.

제안 방법

• 에피택시얼 Pt/Co 이중층에서 스핀 운반을 기술하기 위해 라슈바-에델슈타인 효과(REE)와 부피 스핀 홀 효과를 통합한 새로운 드리프트-디퓨전 모델을 도입하였다.
• 역 에델슈타인 길이(λ_IEE)를 추출하기 위해 종방향 전기장이 작용하는 조건에서 저항도 측정을 실시하였다.
• 필드-유사(FL) 및 감쇠-유사(DL) 스핀 궤도 토크 효율을 정량화하기 위해 스핀 토크 편자성 공명(ST-FMR)을 수행하였다.
• 고품질의 구조를 갖춘 에피택시얼 Pt/Co 이종구조를 사용하여 부피 및 결정립 경계 기여로부터 인터페이스 스핀 궤도 효과를 분리하였다.
• 에피택시얼-Pt/Co와 다결정 샘플의 결과를 비교하여 인터페이스에서의 라슈바 결합 영향을 분리하였다.
• 전자 운반성과 스핀 궤도 토크 효율 간의 상관관계를 규명하기 위해 Pt 필름의 저항도 및 구조적 성질을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 라슈바 스핀 궤도 결합을 갖는 에피택시얼 Pt/Co 이중층에서 인터페이스 전하-스핀 변환 효율(λ_IEE)의 크기는 얼마인가?
• RQ2 다결정 구조에 비해 에피택시얼 시스템에서 라슈바-에델슈타인 효과가 필드-유사 스핀 궤도 토크 효율에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ3 인터페이스 공학 및 라슈바 스핀 궤도 결합을 통해 감쇠-유사 및 필드-유사 스핀 궤도 토크를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 저항도 측정에서 추출한 λ_IEE와 ST-FMR로 유도된 필드-유사-SOT 효율 간에 정량적 일치가 존재하는가?
• RQ5 Pt 필름의 저항도는 에피택시얼 이종구조에서 관측된 스핀 궤도 토크 향상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강한 라슈바 스핀 궤도 결합을 갖는 에피택시얼 Pt/Co 이중층에서 수 나노미터 수준의 매우 큰 역 에델슈타인 길이(λ_IEE)가 측정되어, 인터페이스 전하-스핀 변환 효율이 매우 높음을 나타낸다.
• 에피택시얼 샘플은 다결정 대비 필드-유사(SOT) 효율이 10배 향상되었으며, 이는 큰 λ_IEE와 일치한다.
• 낮은 Pt 저항도에도 불구하고, 에피택시얼 Pt/Co 구조에서 감쇠-유사(SOT) 효율이 2배 향상되었다.
• 실험 결과는 저항도 측정에서 추출한 λ_IEE와 ST-FMR로 유도된 필드-유사-SOT 효율 간에 정량적 일치를 보이며, 새로운 드리프트-디퓨전 모델의 타당성을 입증한다.
• 필드-유사 및 감쇠-유사 스핀 궤도 토크는 인터페이스 라슈바 스핀 궤도 결합에 의해 크게 향상되며, 이는 이종구조 설계를 통한 조절 가능성도 입증한다.
• 이 연구는 에피택시얼 성장이 더 강한 인터페이스 스핀 궤도 결합을 가능하게 하여, 다결정 시스템에 비해 열등한 스핀 궤도 토크 성능을 제공함을 규명하였다.