[논문 리뷰] Oxide spin-orbitronics: spin-charge interconversion and topological spin textures

Felix Trier, Paul Noël외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 30.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 214인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 산화물 스핀오르빗로닉스를 검토하며, 스트란티나이트(SrTiO3) 기반 2DEG, 루테늄(Ru)- 및 밥이르리움(Ir)-기반 산화물, 천연스핀 구조물인 스카이미온과 같은 위상적 스핀 구조물의 전기적 제어를 포함한 산화물 플랫폼에서 스핀-전하 상호작용을 중심으로 다룬다. 주요 결과로는 SrTiO3 2DEG에서 거대한 스핀-전하 변환 효율성과 스카이미온의 분극체 제어가 입증되어 저전력, 비버니어블 스핀트로닉스 장치를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum oxide materials possess a vast range of properties stemming from the interplay between the lattice, charge, spin and orbital degrees of freedom, in which electron correlations often play an important role. Historically, the spin-orbit coupling was rarely a dominant energy scale in oxides. It however recently came to the forefront, unleashing various exotic phenomena connected with real and reciprocal-space topology that may be harnessed in spintronics. In this article, we review the recent advances in the new field of oxide spin-orbitronics with a special focus on spin-charge interconversion from the direct and inverse spin Hall and Edelstein effects, and on the generation and observation of topological spin textures such as skyrmions. We highlight the control of spin-orbit-driven effects by ferroelectricity and give perspectives for the field.

연구 동기 및 목표

• 최근 산화물 스핀오르빗로닉스 분야의 진전을 검토하며, 스핀-전하 상호작용과 위상적 스핀 구조물에 중점을 둔다.
• 특히 비중심 대칭 및 이종구조계에서의 스핀오르빗 결합의 역할을 탐구한다.
• 산화물 이종구조에서 분극체를 통한 스핀-전하 변환 및 스카이미온 형성의 제어를 조사한다.
• 실온에서 작동하는 다기능성 산화물 기반 스핀트로닉스 장치를 위한 열린 과제와 향후 방향을 규명한다.

제안 방법

• 직접 및 역방향 스핀 홀 효과, 에델슈타인 효과를 이용한 SrTiO3 기반 2DEG에서의 스핀-전하 상호작용 연구.
• 외재성 산화물 이종구조(예: SrRuO3/SrIrO3, SrTiO3/BaTiO3)를 활용하여 스핀오르빗 결합과 계면 효과를 설계.
• 전기적 게이팅 및 분극체 배경 게이팅을 통해 스핀-전하 변환 및 위상적 홀 효과를 조절.
• 스카이미온과 스핀 구조물을 탐지하기 위해 전기저항 측정, 자석력 현미경(MFM), 홀 효과 특성 분석을 활용.
• 라슈바 분리, 지야로시츠키–모리아 상호작용(DMI), 위상적 홀 신호를 해석하기 위해 이론 모델을 적용.
• 이차형 전기저항을 활용하여 전하-스핀 변환과 라슈바 계수 추정에 대한 정량적 탐색 도구로 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 SrTiO3 기반 시스템에서 산화물 2DEG에서의 스핀-전하 변환 효율은 어떠한가?
• RQ2 분극체를 활용하여 산화물에서 스핀-전하 변환 및 위상적 스핀 구조물을 전기적으로 제어할 수 있는가?
• RQ3 스핀오르빗 결합과 계면 공학이 산화물 이종구조에서 스카이미온의 생성 및 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 산화물 2DEG의 전기적 성질이 기저의 스핀 구조물과 위상적 질서를 어떻게 반영하는가?
• RQ5 산화물 기반 이종구조를 통해 실온에서 위상적 스핀 구조물을 안정화하고 제어할 수 있는가?

주요 결과

• SrTiO3 기반 2DEG에서 거대한 스핀-전하 변환 효율성이 입증되었으며, 측정 가능한 스핀 홀 효과 및 에델슈타인 효과가 관찰되었다.
• SrTiO3 2DEG에서 분극체를 통한 스핀-전하 변환 제어가 달성되어 게이트 조절 가능한 스핀 전도 특성을 실현하였다.
• 초박막 산화물 이종구조에서 스카이미온이 관측되었고, 전기적으로 조절 가능했으며, SrRuO3/SrIrO3 이중층에서도 관찰되었다.
• 다중분극체 산화물 이종구조에서 실온에서 스카이미온 태아가 안정화되어 실온에서의 작동 가능성을 시사하였다.
• SrRuO3/BaTiO3 이종구조에서의 분극체 배경 게이팅을 통해 위상적 홀 효과의 전기적 제어가 가능했으며, 이는 스카이미온 존재와 직접 연관되었다.
• 이차형 전기저항이 산화물 2DEG에서 라슈바 스핀 분리 및 전하-스핀 변환을 정량적으로 탐색하는 데 유망한 도구로 규명되었다.