[논문 리뷰] Electrically controlled long-distance spin transport through an antiferromagnetic insulator

Romain Lebrun, Andrew Ross외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 07.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 25인용 수 167

한 줄 요약

긴 거리의 스핀 전송이 헤마이트(α-Fe2O3)를 통해 스핀 홀 주입으로 시연되었으며, 계면 스핀 바이어스 및 자기장 조정을 통한 반강자성 공진의 스핀 흐름 제어를 보여준다.

ABSTRACT

Spintronics uses spins, the intrinsic angular momentum of electrons, as an alternative for the electron charge. Its long-term goal is in the development of beyond-Moore low dissipation technology devices. Recent progress demonstrated the long-distance transport of spin signals across ferromagnetic insulators. Antiferromagnetically ordered materials are however the most common class of magnetic materials with several crucial advantages over ferromagnetic systems. In contrast to the latter, antiferromagnets exhibit no net magnetic moment, which renders them stable and impervious to external fields. In addition, they can be operated at THz frequencies. While fundamentally their properties bode well for spin transport, previous indirect observations indicate that spin transmission through antiferromagnets is limited to short distances of a few nanometers. Here we demonstrate the long-distance, over tens of micrometers, propagation of spin currents through hematite (α-Fe2O3), the most common antiferromagnetic iron oxide, exploiting the spin Hall effect for spin injection. We control the spin current flow by the interfacial spin-bias and by tuning the antiferromagnetic resonance frequency with an external magnetic field. This simple antiferromagnetic insulator is shown to convey spin information parallel to the compensated moment (Néel order) over distances exceeding tens of micrometers. This newly-discovered mechanism transports spin as efficiently as the net magnetic moments in the best-suited complex ferromagnets. Our results pave the way to ultra-fast, low-power antiferromagnet-insulator-based spin-logic devices that operate at room temperature and in the absence of magnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 저손실의 스핀트로닉 소자를 위해 AFI를 활용하도록 동기를 부여한다.
• 수십 마이크로미터에 걸쳐 AFI를 통한 장거리 스핀전류 전파를 보인다.
• 스핀 홀 효과를 통한 전자 주입 및 계면 스핀 바이어스와 자기장 조정을 통한 제어를 시연한다.
• 안정성과 THz 작동을 위한 페로자성체 대비 AFI의 이점을 강조한다.

제안 방법

• 스핀 홀 효과를 사용하여 헤마이트 α-Fe2O3를 반강자성 절연체로 삼아 스핀을 주입한다.
• 먼 거리 인터페이스에서 전달된 스핀 정보를 검출하여 수송 길이 스케일을 정량화한다.
• 외부 자장을 이용해 반강자성 공진 주파수를 조정하여 스핀 수송을 조절한다.
• AFI 경계에서의 계면 스핀 바이어스로 스핀 흐름을 제어한다.
• 저전력 스핀 로직 가능성을 평가하기 위해 페로자성체와의 수송 효율을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수십 마이크로미터에 걸쳐 헤마이트 반강자성 절연체를 통한 스핀 전송이 가능한가?
• RQ2 계면 스핀 바이어스가 AFI를 통한 스핀 수송에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 외부 자장을 이용한 AF 공진 조정이 스핀 전송에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 실온에서 AFI가 페로자성 재료와 비교해 스핀 정보를 전달할 수 있는 효율을 갖는가?
• RQ5 반강자성-절연체 기반의 스핀 로직 소자에 대한 시사점은 무엇인가?

주요 결과

• 헤마이트를 통해 수십 마이크로미터에 걸쳐 스핀 전류가 전파되어 AFI에서의 장거리 수송이 시연된다.
• 스핀 홀 효과를 통한 스핀 주입은 AFI를 통한 스핀 전송을 가능하게 한다.
• 계면 스핀 바이어스는 AFI 인터페이스를 가로지르는 전송되는 스핀 전류의 양을 제어한다.
• 외부 자장에 의한 반강자성 공진 주파수 조정이 스핀 수송을 조절한다.
• 이 메커니즘은 순자化 없이도 실온에서 스핀 정보를 효율적으로 전달할 수 있음을 시사한다.
• 결과는 AFI 기반의 초고속, 저전력 스핀 로직 소자에 대한 가능성을 시사한다.