[논문 리뷰] Orbital Pumping by Magnetization Dynamics in Ferromagnets

Dongwook Go, Kazuya Ando외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 26.

Magnetic Properties of Alloys인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페로자성체에서 자화 역학이 스핀-오비탈 결합을 통해 비평형 궤도 운동량(궤도 펌핑)을 생성할 수 있다고 제안한다. 이는 스핀 펌핑과 유사하다. 제1원리 계산 결과 궤도 펌핑은 스핀 펌핑의 5–15%이며, 니켈에서 가장 강하고 철에서 가장 약하다. 이는 티타늄/니켈 계면에서 뚜렷한 궤도 펌핑이 관측되는 데 반해 티타늄/철 계면에서는 억제되는 실험적 관측 결과를 설명한다.

ABSTRACT

We show that dynamics of the magnetization in ferromagnets can pump the orbital angular momentum, which we denote by orbital pumping. This is the reciprocal phenomenon to the orbital torque that induces magnetization dynamics by the orbital angular momentum in non-equilibrium. The orbital pumping is analogous to the spin pumping established in spintronics but requires the spin-orbit coupling for the orbital angular momentum to interact with the magnetization. We develop a formalism that describes the generation of the orbital angular momentum by magnetization dynamics within the adiabatic perturbation theory. Based on this, we perform first-principles calculation of the orbital pumping in prototypical $3d$ ferromagnets, Fe, Co, and Ni. The results show that the ratio between the orbital pumping and the spin pumping ranges from 5 to 15 percents, being smallest in Fe and largest in Ni. This implies that ferromagnetic Ni is a good candidate for measuring the orbital pumping. Implications of our results on experiments are also discussed.

연구 동기 및 목표

• 페로자성체에서 궤도 토크의 역효과로서 궤도 펌핑을 이론적으로 기초화하는 것.
• 제1원리 방법을 사용하여 3d 페로자성체(철, 코발트, 니켈)에서 스핀 펌핑 대비 궤도 펌핑의 크기를 정량화하는 것.
• 티타늄/니켈과 티타늄/철 다층막에서 실험적으로 관측된 궤도 펌핑의 이질성(니켈에서는 강한 신호, 철에서는 거의 완전한 억제)을 설명하는 것.
• 스핀-오비탈 결합과 전자 구조가 궤도 펌핑을 가능하게 하는 역할, 특히 d-전자 채움 상태가 다른 시스템에서의 역할을 탐색하는 것.
• 역궤도 홀 효과 또는 관련 현상에 의해 궤도 운동량 생성을 검출하는 향후 실험에 대한 이론적 기초를 제공하는 것.

제안 방법

• 자기화 진동에 의한 궤도 운동량 생성을 기술하기 위해 애디아바틱 섭동 이론에 기반한 형식적 접근.
• 자기화 진동에 대한 궤도 운동량의 선형 반응을 기술하는 그린 함수 표현 유도.
• 철, 코발트, 니켈에서 궤도 펌핑 텐서 성분을 계산하기 위해 스핀-오비탈 결합을 포함한 제1원리 밀도함수이론(DFT)의 사용.
• 에너지 가로화(Γ)에 따른 반응 함수 χαβL 계산을 통해 안정성과 본질적 거동 평가.
• d-전자 채움과 허른의 규칙 행동에 따른 궤도 펌핑의 의존성 분석: 철(d6), 코발트(d7), 니켈(d8) 비교.
• 하야시 등이 보고한 티타늄/니켈 및 티타늄/철 다층막의 실험 데이터와 이론 예측 비교: 궤도 펌핑의 DC 성분에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페로자성체에서 자화 역학이 비평형 궤도 운동량을 생성할 수 있으며, 그 기반이 되는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 3d 페로자성체인 철, 코발트, 니켈에서 궤도 펌핑의 크기는 스핀 펌핑에 비해 어느 정도인가?
• RQ3 이론적 예측에 비해 티타늄/니켈 다층막에서는 궤도 펌핑이 관측되지만, 티타늄/철 다층막에서는 거의 관측되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ4 스핀-오비탈 결합은 자화 역학과 궤도 운동량 사이의 결합을 어떻게 매개하는가?
• RQ5 d-전자 채움과 허른의 규칙 행동은 궤도 펌핑 강도에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 궤도 펌핑은 궤도 토크의 역효과로서 발생하며, 궤도 운동량과 자화 간의 상호작용을 가능하게 하기 위해 스핀-오비탈 결합이 필요하다.
• 궤도 펌핑 대비 스핀 펌핑 비율은 철에서는 5%에서 니켈에서는 15%까지 변동하며, d-전자 채움에 대한 허른의 규칙 유사한 의존성이 뚜렷하다.
• 제1원리 계산 결과 니켈에서 가장 강한 궤도 펌핑이 관측되어 실험적 검출에 가장 유망한 후보로 나타났다.
• 티타늄/철 다층막에서 궤도 펌핑이 억제되는 것은 철의 부피 성질만으로는 설명되지 않으며, 이는 표면에서의 전송 효과가 지배적임을 시사한다.
• 에너지 가로화(Γ) 의존성 분석 결과 궤도 펌핑은 스핀 펌핑보다 산란에 더 민감하며, 이는 스핀-오비탈 결합의 에너지 스케일이 더 작기 때문이다.
• 이론적 예측은 최근의 역궤도 홀 효과 및 궤도 시베크 효과 실험과 일치하여, 페로자성 다층막에서 궤도 운동량 기반 현상의 실현 가능성을 뒷받침한다.