[논문 리뷰] Manipulating chiral-spin transport with ferroelectric polarization

Xiaoxi Huang, Xianzhe Chen외 29명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 03.

Multiferroics and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중철산화물 BiFeO₃에서 분극 전이를 통한 전기장 제어를 통해 나선형 스핀 운반을 구현함으로써 실온에서 최대 18%의 정류를 달성한다. 이 스핀 토크는 인접한 자성층을 효율적으로 스위칭하며, 철산화물 기반의 에너지 확장 가능한 논리 구조와 함께 전자기적 전파를 갖춘 마그논 기반 스핀 토크 스위칭을 실현한다.

ABSTRACT

A collective excitation of the spin structure in a magnetic insulator can transmit spin-angular momentum with negligible dissipation. This quantum of a spin wave, introduced more than nine decades ago, has always been manipulated through magnetic dipoles, (i.e., timereversal symmetry). Here, we report the experimental observation of chiral-spin transport in multiferroic BiFeO3, where the spin transport is controlled by reversing the ferroelectric polarization (i.e., spatial inversion symmetry). The ferroelectrically controlled magnons produce an unprecedented ratio of up to 18% rectification at room temperature. The spin torque that the magnons in BiFeO3 carry can be used to efficiently switch the magnetization of adja-cent magnets, with a spin-torque efficiency being comparable to the spin Hall effect in heavy metals. Utilizing such a controllable magnon generation and transmission in BiFeO3, an alloxide, energy-scalable logic is demonstrated composed of spin-orbit injection, detection, and magnetoelectric control. This observation opens a new chapter of multiferroic magnons and paves an alternative pathway towards low-dissipation nanoelectronics.

연구 동기 및 목표

• 철산화물 분극을 이용한 다중철산화물 BiFeO₃에서의 나선형 스핀 운반의 전기장 제어를 입증한다.
• 고효율의 실온에서 제어 가능한 마그논을 통한 스핀 운반을 달성한다.
• 철산화물 제어된 마그논 전파를 기반으로 한 전적으로 산화물로 구성된 에너지 확장 가능한 논리 아키텍처를 개발한다.
• BiFeO₃/SrIrO₃ 이중구조에서의 스핀 토크 효율성과 비국소적 스핀 운반을 정량화한다.

제안 방법

• BiFeO₃ 필름 위에 Pt 및 SrIrO₃ 도전체를 사용하여 스핀-오비트 주입 및 탐지를 수행한 횡방향 비국소적 스핀 운반 측정을 실시하였다.
• 내부 전기장 펄스를 적용하여 철산화물 분극을 스위칭하고 마그논 전류를 조절하였으며, 100초 동안의 전압 신호를 측정하였다.
• 스핀 홀 효과(일차 조화 전압)와 스핀 세베크 효과(이차 조화 전압)를 이용해 마그논을 생성하고 탐지하였다.
• 철산화물 도메인 스위칭과 관련된 히스테리시스 및 나비 모양의 전압 응답을 측정하여 분극 제어의 정확성을 확인하였다.
• 거리 의존성 비국소 전압 신호를 확산 마그논 전파 모델에 적합시켰다: $ R_{\rm{nl}} = \frac{C}{\rho} \frac{\rm{exp}(d/\rho)}{1 - \rm{exp}(2d/\rho)} $, 이로 인해 약 0.17 μm 및 0.25 μm의 확산 길이를 도출하였다.
• 역스핀 홀 전압을 계산하기 위해 $ V_{\rm{ISHE}} = \frac{\theta_{\rm{SOT}} \rho_{\rm{SD}} \tanh(t_{\rm{SIO}}/(2\rho_{\rm{SD}})) L}{t_{\rm{SIO}} \rho_{\rm{SIO}}} J_{\rm{S}} $ 수식을 사용하였으며, 10 nm 두께의 BiFeO₃에서 약 10 mV의 출력 전압을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철산화물 분극 반전이 실온에서 다중철산화물 BiFeO₃의 나선형 스핀 운반을 제어할 수 있는가?
• RQ2 BiFeO₃/SrIrO₃ 이중구조에서 마그논 유도 스핀 토크의 스위칭 효율은 어떻게 되는가?
• RQ3 비국소적 마그논 전류는 철산화물 도메인 상태와 전극 간격에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 철산화물 제어된 마그논 전파가 확장 가능한 전적으로 산화물 기반의 스핀트로닉스 논리 장치를 가능하게 하는가?
• RQ5 BiFeO₃를 사용하고 SrIrO₃를 스핀 탐지기로 사용하는 수직 마그논 기반 MESO 장치의 예측 출력 전압은 얼마인가?

주요 결과

• BiFeO₃에서의 철산화물 분극 반전은 실온에서 마그논 운반에 최대 18%의 정류 비율을 유도한다.
• 상향 철산화물 분극 상태에서 SrRuO₃의 자화 스위칭에 필요한 임계 전류가 낮아져 더 높은 스핀 전송 효율을 나타낸다.
• BiFeO₃/SrIrO₃에서의 비국소 전압 신호는 BiFeO₃/Pt에서의 것보다 약 10배 높으며, 각각 약 1 μV 및 약 0.1 μV이다.
• 거리 의존성 비국소 신호는 효과적인 확산 길이가 약 0.17 μm(스핀 홀 효과 유도) 및 약 0.25 μm(열적 유도)인 확산 마그논 전파 모델에 잘 맞는다.
• 이론적 모델링 결과, 10 nm 두께의 BiFeO₃에서 약 10 mV의 역스핀 홀 전압을 예측하였으며, 이는 MESO 목표치인 100 mV에 근접한다.
• 히스테리시스 및 나비 모양의 전압 응답은 철산화물 스위칭과 일치하는 강력한 전기 제어 가능한 마그논 운반을 확인한다.