[논문 리뷰] Giant spin Hall magnetoresistance in metallic bilayers

Junyeon Kim, Sheng Peng외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 31.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 37인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 텅스텐/코니켈철 블레이드 금속 이중막에서 거대한 스핀 홀 자석저항성(SMR)을 보고한다. 이는 이전의 무거운 금속/자기절연체 시스템에 비해 거의 10배 향상된 결과이다. 이 효과는 인터페이스에서 스핀 홀 효과를 통해 생성된 스핀 전류에 기인하며, 횡방향 저항을 크게 조절하여 금속 이중막에서의 스핀 전류 역학을 분석하는 데 SMR가 매우 강력한 수단임을 입증한다.

ABSTRACT

The spin Hall effect in heavy metals generates spin current that enables control of magnetization of an nearby magnetic layer. Conversely, such flow of spin current can influence the transport properties of the system itself. For example, the resistance of a Pt layer attached to a magnetic insulator changes as the direction of the magnetization is changed. Such effect, now commonly referred to as the spin Hall magnetoresistance (SMR), has been reported to be, however, order of magnitude smaller than the conventional anisotropic magnetoresistance in magnetic materials. Here we report giant spin Hall magnetoresistance in a metallic bilayer system. We find nearly a ten-fold increase of SMR in W/CoFeB compared to the previously studied heavy metal/magnetic insulator systems. The large SMR accounts for the unconventionally large transverse magnetoresistance found in this system, manifesting the profound effect of spin current generated via the spin Hall effect on the electrical transport properties. We show that the SMR is defined at the heavy metal/magnetic layer interface even for metallic heterostructures in which current flows into the magnetic layer. These results demonstrate that SMR can be used as a powerful tool to evaluate the flow and accumulation of spin current in metallic heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 금속 이중막 시스템에서 스핀 홀 자석저항성(SMR)의 크기와 기원을 조사하는 것.
• 기존의 무거운 금속/자기절연체 이중막 구조와 비교해 W/CoFeB에서 SMR가 어떻게 크게 향상되었는지 이해하는 것.
• SMR가 금속 이중막에서의 스핀 전류 유동과 축적을 정량적으로 분석할 수 있는 수단이 될 수 있음을 보여주는 것.
• 무거운 금속/자기층 인터페이스가 측정 가능한 SMR 효과를 생성하는 데 수행하는 역할를 명확히 하는 것.

제안 방법

• 자기화 방향을 변화시키며 W/CoFeB 이중막 구조의 횡방향 자석저항성을 측정하는 것.
• 강한 스핀 홀 효과를 유도하고 스핀 전류를 생성하기 위해 텅스텐(W)을 무거운 금속로 사용하는 것.
• 이전에 연구된 무거운 금속/자기절연체 시스템과의 SMR 반응을 비교하는 것.
• 전류가 자기층으로 유입되더라도 인터페이스 기반의 SMR 기여를 분석하는 것.
• 자기화 방향을 체계적으로 변화시켜 다른 이방성 운반 기여로부터 스핀 홀 자석저항성 효과를 분리하는 것.
• 저항 조절을 통해 인터페이스에서의 스핀 전류 축적을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 W/CoFeB 금속 이중막에서 스핀 홀 자석저항성의 크기는 이전의 시스템에 비해 어느 정도인가?
• RQ2 스핀 홀 효과는 자성층이 포함된 금속 이중막에서 전기 운반에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 금속 시스템에서 SMR 효과가 무거운 금속/자기층 인터페이스에 얼마나 국한되어 있는가?
• RQ4 이 시스템에서 횡방향 자석저항성이 기존 메커니즘에 비해 상당히 크게 측정되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 SMR는 금속 이중막에서의 스핀 전류 유동과 축적을 신뢰할 수 있는 수단으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• W/CoFeB 이중막에서의 스핀 홀 자석저항성은 이전에 연구된 무거운 금속/자기절연체 시스템보다 거의 10배 크다.
• 거대한 SMR는 W/CoFeB 인터페이스에서 스핀 홀 효과를 통해 생성된 스핀 전류에 기인한다.
• 전류가 자기층으로 유입되더라도 SMR가 유지되며, 이는 효과의 인터페이스 기원을 시사한다.
• 관측된 횡방향 자석저항성은 주로 SMR 효과에 기인하며, 전통적인 이방성 자석저항성과는 다릅니다.
• SMR는 무거운 금속/자기층 인터페이스에서 정의되며, 스핀 전류 역학을 감지하는 민감한 수단으로서의 역할를 확인한다.
• 결과적으로 SMR는 금속 스핀트로닉스 이중막에서의 스핀 전류 유동과 축적 평가를 위한 강력한 도구로 정립된다.