[논문 리뷰] Giant topological Hall effect in strained Fe$_{0.7}$Co$_{0.3}$Si epilayers

N. A. Porter, Priyasmita Sinha외 8명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 05.

Magnetic properties of thin films인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고도의 스핀 분극, 낮은 실체 농도 및 고밀도의 나선형 스핀 구조를 갖는 에피택셜적으로 변형된 Fe₀.₇Co₀.₃Si 박막에서 거대한 위상적 홀 효과(THE)를 보고한다. THE는 2 K에서 820 nΩ·cm에 도달하며, MnSi에서의 값(4 nΩ·cm)보다 200배 이상 크다. 이는 강한 위상적 베리 위상 효과를 나타내며 스카이미온 기반 스핀트로닉스 장치에 큰 잠재력을 암시한다.

ABSTRACT

The coupling of electron spin to real-space magnetic textures leads to a variety of interesting magnetotransport effects. The skyrmionic spin textures often found in chiral B20-lattice magnets give rise, via real-space Berry phases, to the topological Hall effect, but it is typically rather small. Here, B20-ordered Fe$_{0.7}$Co$_{0.3}$Si epilayers display a giant topological Hall effect due to the combination of three favourable properties: they have a high spin-polarisation, a large ordinary Hall coefficient, and dense chiral spin textures. The topological Hall resistivity is as large as 820 n$Ω$cm at helium temperatures. Moreover, we observed a drop in the longitudinal resistivity of 100 n$Ω$cm at low temperatures in the same field range, suggesting that it is also of topological origin. That such strong effects can be found in material grown in thin film form on commercial silicon wafer bodes well for skyrmion-based spintronics.

연구 동기 및 목표

• 비틀림이 가해진 Fe₀.₇Co₀.₃Si 에피층에서 위상적 홀 효과의 기원과 크기를 조사하기 위해.
• 에피택셜 변형, 스핀 분극 및 나선형 자기 구조가 함께 위상적 운반 특성에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 기본 홀 효과를 넘어서 종방향 저항률에 나타나는 위상적 기여를 식별하기 위해.
• 이 박막을 이용한 확장 가능한 웨이퍼 기반 스핀트로닉스 장치의 실현 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 단일 결정성과 B20 정렬을 확보하기 위해 분자빔 에피택시(EBE)를 이용해 Si(111) 기판 위에 에피택셜 Fe₀.₇Co₀.₃Si 박막을 성장시켰다.
• 어두운 영역 영상 및 수렴광선 전자 회절(CBED)을 포함한 투과형 전자현미경(TEM)을 사용하여 좌우 나선형 도메인의 공존을 확인하였다.
• 2 K에서 300 K까지의 온도 범위에서 4점 프로브 측정 및 4선형 직류 기법을 사용하여 홀 저항률(ρxy)과 종방향 저항률(ρxx)을 추출하였다.
• 자기화도(M) 대 외부 자기장(H)의 관계를 측정하기 위해 SQUID-진동 시료 자화도측정기(VSM)를 사용하여 자기 전이 및 비틀림장( coercive field)을 규명하였다.
• 5 K에서 필드 냉각 후 펄스 중성자 반사도 측정(PNR)을 수행하여 깊이 분해능을 가진 자기 및 스핀 구조를 탐색하였다.
• 데이터 분석에는 배경 보정을 통해 선형 및 약한 국소화 기여를 제거하고 위상적 저항률 특성을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 B20 재료와 비교해 볼 때, 비틀림이 가해진 Fe₀.₇Co₀.₃Si 에피층에서 거대한 위상적 홀 효과가 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ2 위상적 베리 위상 효과는 횡방향 홀 반응 외에도 종방향 저항률(ρxx)에 나타날 수 있는가?
• RQ3 에피택셜 변형과 나선형 도메인 구조는 스카이미온 유사 스핀 구조의 안정성과 밀도에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 관측된 저항도 비정상성은 일반적인 이방성 자기저항 효과가 아니라 위상적 효과에 기인하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 도핑 또는 변형을 통해 위상적 운반 특성을 설계하여 장치 적용에 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 위상적 홀 저항률(ρxy^t)은 2 K에서 820 nΩ·cm에 도달하여 원래 MnSi에서 관측된 값(4 nΩ·cm)보다 200배 이상 증폭되었다.
• 거대한 THE가 관측된 동일한 자기장 범위에서 종방향 저항률(Δρxx ≈ 100 nΩ·cm)의 급격한 감소가 관측되어, 베리 위상 효과와 관련된 위상적 기원일 가능성이 제기된다.
• 위상적 상은 온도 및 자기장 범위에 걸쳐 넓게 유지되며, 2 K에서부터 T ≈ 20 K까지 및 광범위한 자기장 창에서 지속된다.
• TEM 및 CBED를 통해 확인된 좌우 나선형 도메인의 공존은 복잡한 격자 경계 구조를 형성하며, 고밀도의 스카이미온 유사 스핀 구조의 안정화에 기여할 수 있다.
• 위상적 저항률 기여는 전류 밀도가 2×10⁴에서 4×10⁸ A/m²의 넓은 범위에서도 민감도 없이 유지되며, 내재된 기원임을 시사한다.
• ρxx의 잔류 저항도 비정상성은 T ≈ 20 K 이상에서 사라지므로 위상적 메커니즘의 근본 원리에 위상 일관성이 기여하는 것으로 보인다.