[논문 리뷰] Investigation of anomalous-Hall and spin-Hall effects of antiferromagnetic IrMn sandwiched by Pt and YIG layers

Tian Shang, Haolin Yang외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 11.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Pt/IrMn/YIG 헤테로구조에서의 이방성 홀 효과(AHE)와 스핀 홀 효과(SHE)를 조사하며, IrMn이 자성 인접 효과를 억제하면서 스핀 전류를 유도하는 역할을 한다고 밝혀냈다. AHE는 크게 향상되며, 최대 3 nm의 IrMn 두께에서 peak를 이룬다. 이는 IrMn 내부의 내재된 스핀-오비탈 결합과 비동축 스핀 구조에 기인하며, 그들의 반자성 정렬과는 독립적이다.

ABSTRACT

We report an investigation of temperature and IrMn layered thickness dependence of anomalous-Hall resistance (AHR), anisotropic magnetoresistance (AMR), and magnetization on Pt/Ir20Mn80/Y3Fe5O12 (Pt/IrMn/YIG) heterostructures. The magnitude of AHR is dramatically enhanced compared with Pt/YIG bilayers. The enhancement is much more profound at higher temperatures and peaks at the IrMn thickness of 3 nm. The observed spin-Hall magnetoresistance (SMR) in the temperature range of 10-300 K indicates that the spin current generated in the Pt layer can penetrate the entire thickness of the IrMn layer to interact with the YIG layer. The lack of conventional anisotropic magnetoresistance (CAMR) implies that the insertion of the IrMn layer between Pt and YIG efficiently suppresses the magnetic proximity effect (MPE) on induced Pt moments by YIG. Our results suggest that the dual roles of the InMn insertion in Pt/IrMn/YIG heterostructures are to block the MPE and to transport the spin current between Pt and YIG layers. We discuss possible mechanisms for the enhanced AHR.

연구 동기 및 목표

• Pt/IrMn/YIG 헤테로구조에서의 이방성 홀 저항(AHR)과 스핀 홀 자기저항(SMR)을 조사하기 위해.
• IrMn 두께와 온도가 AHR와 SMR를 어떻게 조절하는지 규명하기 위해.
• 향상된 AHR가 내재된 IrMn 성질, 계면 효과, 또는 스핀 홀 메커니즘 중 어느 것에서 기인하는지 명확히 하기 위해.
• IrMn의 반자성 정렬이 스핀 전송과 AHE에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• IrMn이 Pt와 YIG 층 사이에서 스핀 전류 매개체로 효과적으로 작용하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 IrMn 두께(1–5 nm)를 가진 Pt/Ir20Mn80/YIG 삼중층 헤테로구조를 제작하였다.
• 온도와 자장의 함수로 이방성 홀 저항(AHR)과 이방성 자기저항(AMR)을 측정하였다.
• IrMn의 블로킹 온도를 규명하기 위해 자화도 측정을 수행하였다.
• 10–300 K 범위에서 스핀 홀 자기저항(SMR)을 분석하여 IrMn을 통과하는 스핀 전류 전달 성능을 평가하였다.
• 스핀 펌핑과 역스핀 홀 효과(ISHE) 원리를 활용해 IrMn을 통과하는 스핀 전류 운반을 유추하였다.
• IrMn 삽입의 역할을 분리하기 위해 Pt/YIG 이중층과 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pt/IrMn/YIG에서 Pt/YIG에 비해 이방성 홀 저항이 급격히 향상되는 원인은 무엇인가?
• RQ2 IrMn 두께가 이방성 홀 저항과 스핀 홀 자기저항에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 Pt/IrMn/YIG에서 향상된 AHR는 IrMn의 내재적 성질과 관련이 있는가, 아니면 계면 효과와 관련이 있는가?
• RQ4 IrMn의 반자성 정렬 전이가 관측된 AHE 또는 SMR에 영향을 미치는가?
• RQ5 IrMn은 Pt에서 YIG로의 스핀 전류를 효과적으로 전달하면서 자성 인접 효과를 억제할 수 있는가?

주요 결과

• Pt/IrMn/YIG에서의 이방성 홀 저항(AHR)은 상당히 향상되어 있으며, Pt/YIG보다 몇 배 이상 크며, IrMn 두께가 3 nm일 때 peak를 이룬다.
• AHR의 향상은 고온에서 가장 두드러지며, 기존 모델로는 설명되지 않는 비정상적인 온도 의존성을 나타낸다.
• 10–300 K 범위에서 스핀 홀 자기저항(SMR)이 관측되어, Pt에서 생성된 스핀 전류가 IrMn 층을 완전히 통과하여 YIG와 상호작용할 수 있음을 확인하였다.
• 기존의 이방성 자기저항(CAMR)은 무시할 만큼 작아서, Pt/IrMn 및 IrMn/YIG 계면에서 자성 인접 효과(MPE)가 효과적으로 억제됨을 나타낸다.
• 관측된 AHR는 스핀 홀 효과(SHE) 모델만으로는 설명될 수 없으며, 이는 임의의 온도 의존 매개변수를 필요로 하고 두께 의존성 향상을 설명하지 못하기 때문이다.
• 결과는 AHR가 장거리 반자성 정렬과는 독립적으로, IrMn 내부의 내재된 스핀-오비탈 결합과 비동축 스핀 구조에서 기인한다고 시사한다.