[논문 리뷰] First-principles calculation of the spin-Hall and inverse spin-Hall effects: interface versus bulk contributions

Lei Wang, Rien J. H. Wesselink외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 23.

Magnetic properties of thin films인용 수 2

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 Pt|Py 이중층에서 스핀 홀 효과와 역스핀 홀 효과를 조사하며, 실온에서 표면 기여가 역스핀 홀 효과를 지배하며, 부피 기여를 초월하는 거대한 표면 스핀 홀 각도를 밝혀냈다. 이 작업은 산란 접근법을 사용하여 스핀 전류 생성을 부피 및 표면 항으로 분해하며, 온도에 따라 스핀 홀 각도가 단조적으로 증가하고 부피 Pt의 전기저항에 비례하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

The spin Hall angle (SHA) is a measure of the efficiency with which a transverse spin current is generated from a charge current by the spin-orbit coupling and disorder in the spin Hall effect (SHE). In a study of the SHE for a Pt$|$Py (Py=Ni$_{80}$Fe$_{20}$) bilayer using a first-principles scattering approach, we find a SHA that increases monotonically with temperature and is proportional to the resistivity for bulk Pt. By decomposing the room temperature SHE and inverse SHE currents into bulk and interface terms, we discover a giant interface SHA that dominates the total inverse SHE current with potentially major consequences for applications.

연구 동기 및 목표

• Pt|Py 이종접합에서 부피 및 표면 영역의 기여도가 스핀 홀 효과와 역스핀 홀 효과에 미치는 영향을 이해하는 것.
• Pt 기반 시스템에서 스핀 홀 각도의 온도 의존성을 규명하는 것.
• 첫 번째 원리 방법을 사용하여 스핀-오비트 결합과 불순물의 영향을 통해 스핀 전류 생성 효율을 정량화하는 것.
• 스핀트로닉스 장치 성능 향상에 있어 표면 지배적 스핀 홀 효과의 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• Pt|Py 이중층에서의 전자 이동을 모델링하기 위해 첫 번째 원리 산란 접근법을 사용하는 것.
• 산란 이론를 활용하여 총 스핀 홀 및 역스핀 홀 전류를 부피 기여와 표면 기여로 분해하는 것.
• 스핀 홀 각도를 온도 함수로 계산하여 그 변화를 분석하는 것.
• 스핀 홀 각도를 부위 Pt의 전기저항과 연관지어 스케일링 행동을 평가하는 것.
• 전자 구조 계산을 통해 스핀-오비트 결합 및 불순물 산란 매개변수를 추출하는 것.
• 쿠보 공식과 선형 반응 이론을 적용하여 전하 전류 존재 하에서의 스핀 전류 반응을 계산하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pt|Py 이중층에서 스핀 홀 각도를 결정하는 데 있어 부위 및 표면 기여는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 Pt에서 스핀 홀 각도의 온도 의존성은 무엇이며, 전기저항과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 역스핀 홀 효과에 대한 표면 기여가 부위 기여를 크게 초월할 수 있는가?
• RQ4 표면 영역의 스핀-오비트 결합과 산란은 스핀 전류 생성을 얼마나 강화하는가?

주요 결과

• Pt|Py 시스템에서 스핀 홀 각도는 온도에 따라 단조적으로 증가한다.
• 부위 Pt의 스핀 홀 각도는 그 전기저항에 비례하며, 이는 불순물과 스핀 홀 효율 간의 직접적인 연관성을 시사한다.
• 역스핀 홀 효과에 대한 표면 기여는 부위 기여보다 크게 크며, 거대한 표면 스핀 홀 각도를 보인다.
• 표면이 총 역스핀 홀 전류를 지배하므로, 표면 공학이 스핀트로닉스 장치 최적화에 핵심이 될 수 있다.
• 스핀 전류를 부위 및 표면 항으로 분해함으로써, 표면에서의 스핀-오비트 결합과 산란이 스핀 전류 생성에 지배적인 역할을 한다는 것이 드러났다.
• 결과적으로, 효율적인 스핀 홀 기반 장치 설계에 있어 표면 효과가 부위 성질보다 더 중요할 수 있음을 시사한다.