[논문 리뷰] Interface spin polarization of the Heusler compound Co2MnSi probed by unidirectional spin Hall magnetoresistance

Christian Lidig, Cramer, J.외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 12.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 39인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 웨이트스톤 브리지 구성을 사용하여 Co₂MnSi/Pt 다층구조에서의 인터페이스 스핀 분극을 탐지하기 위해 단방향 스핀 홀 마그네토저항(USMR)을 활용한다. 0.5 nm의 에피택셜 Ag 인터레이어를 삽입함으로써 스핀에 의존하는 USMR가 두 배로 증가함을 입증하여, 이는 운반 스핀 분극의 현저한 향상임을 시사한다. 결과적으로 Ag는 고도로 스핀 분극된 인터페이스 상태를 유지하지만, Cr과 Cu는 그렇지 않음을 보여주며, 헤우슬러 기반 스핀트로닉스 인터페이스를 최적화하기 위한 기기 독립적 방법을 제공한다.

ABSTRACT

Many Heusler compounds are predicted to be ferromagnetic half metals in the bulk, which makes them promising compounds for spintronics. However, for devices the transport spin polarization at specific interfaces requires optimization. We show that investigations of the unidirectional magnetoresistance provide an alternative approach to access this quantity. Based on a Wheatstone-bridge design we probed the unidirectional magnetoresistance of Co2MnSi/(Ag, Cu, or Cr)(0.5 nm)/Pt (or Ta) multilayers and separate the spin-dependent unidirectional spin Hall magnetoresistance from other contributions. We demonstrated that by the insertion of a thin epitaxial Ag layer the spin-dependent contribution is doubled corresponding to a significant increase of the transport spin polarization, which is discussed in the framework of highly spin polarized interface states.

연구 동기 및 목표

• 단방향 스핀 홀 마그네토저항(USMR)을 이용하여 헤우슬러 화합물 인터페이스에서 운반 스핀 분극을 정량화하는 기기 독립적 방법을 개발하기 위해.
• 다른 인터페이스 금속(Ag, Cu, Cr)이 Co₂MnSi/Pt 이종구조에서 스핀 분극에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이전의 광전자 스펙트로스코피 데이터와의 연관성을 통해 인터페이스 전자 상태에 대한 USMR 측정값을 분석하기 위해.
• 헤우슬러 기반 스핀트로닉스 장치에서의 전류-면 방향 거대 마그네토저항(CIP-GMR)을 향상시키기 위한 최적의 인터페이스 공학 전략을 규명하기 위해.

제안 방법

• 웨이트스톤 브리지 기하구조를 사용하여 Co₂MnSi(001)/(Ag, Cu, Cr)(0.5 nm)/Pt 다층구조에서의 단방향 마그네토저항(UMR)을 측정하였다.
• UMR을 UMR(j) = [ρ_xx(j^HM) - ρ_xx(-j^HM)] / [½(ρ_xx(j^HM) + ρ_xx(-j^HM))]로 정의하여 스핀에 의존하는 기여를 분리하였다.
• 스핀에 의존하는 USMR가 열적 및 일반 마그네토저항 효과보다 지배적인 ~7 nm 두께의 얇은 Co₂MnSi층에 집중하였다.
• 인터페이스 전자 구조를 조절하기 위해 에피택셜 Ag(001), 다결정 Cu, 에피택셜 Cr(001)을 인터레이어로 사용하였다.
• 전류 방향과 자장 순환 조건을 통해 스핀에 의존하는 USMR를 배경 효과(예: 비정상적 네르니스트 효과, AMR, SMR)로부터 구별하였다.
• 이전의 HAXPES 데이터와의 연관성을 통해 Co₂MnSi/Ag 시스템에서의 Fermi 수준 근처에 명확한 스핀 분극된 인터페이스 상태가 있음을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5 nm 두께의 인터레이어(Al, Cu, Cr) 삽입이 Co₂MnSi/Pt 인터페이스에서의 운반 스핀 분극에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 단방향 스핀 홀 마그네토저항(USMR)이 반감성 헤우슬러 화합물의 인터페이스 스핀 분극을 신뢰할 수 있고 기기 독립적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 왜 Co₂MnSi/Ag/Pt에서의 USMR 신호가 Co₂MnSi/Cr/Pt나 Co₂MnSi/Cu/Pt보다 증가하는가?
• RQ4 이전에 HAXPES로 관측된 인터페이스 전자 상태가 스핀에 의존하는 USMR의 크기와 어느 정도 관련이 있는가?
• RQ5 얇은 필름 이종구조에서 비정상적 네르니스트 효과 및 이방성 마그네토저항과 같은 경쟁 효과로부터 USMR 신호를 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 0.5 nm의 에피택셜 Ag(001) 인터레이어를 삽입함으로써 Co₂MnSi/Pt 이중층에서의 스핀에 의존하는 USMR가 두 배로 증가하여 운반 스핀 분극의 현저한 향상이 있음을 시사한다.
• 에피택셜 Cr(001) 인터레이어를 사용할 경우 USMR는 변화가 없으며, 이는 Cr이 스핀 분극된 인터페이스 상태를 유지하거나 향상시키지 못함을 의미한다.
• 다결정 Cu를 0.5 nm 두께의 인터레이어로 사용할 경우 USMR가 증가하지만 Ag에 비해 더 적은 정도로 증가하여 스핀 분극의 부분적 유지가 가능함을 시사한다.
• Ag를 사용할 경우 USMR의 증가와 HAXPES 데이터 간의 강한 상관관계가 확인되었으며, 이는 Co₂MnSi/Ag 시스템에서 Fermi 수준 근처에 명확한 스핀 분극된 인터페이스 상태가 존재함을 뒷받침한다.
• ~7 nm 두께의 Co₂MnSi층에서는 USMR 신호가 열적 및 일반 마그네토저항 효과보다 지배적이므로 스핀 분극을 신뢰성 있게 추출할 수 있다.
• 결과적으로 Co₂MnSi/Ag/Pt 이종구조는 이전에 보고된 유사한 시스템의 고 CPP-GMR와 유사하게 큰 전류-면 방향(CIP)-GMR 값을 가능하게 할 수 있음을 시사한다.