[논문 리뷰] Review and Analysis of Measurements of the Spin Hall Effect in Platinum

Luqiao Liu, R. A. Buhrman외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 16.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 30인용 수 73

한 줄 요약

이 논문은 백금에서의 스핀 홀 효과에 대한 상반된 실험 측정치를 검토하고 통합하며, 이전 분석에서의 오류—특히 Cu 박막에서의 전하 전류 유출로 인한 스핀 홀 각도의 과소 평가—를 규명한다. 백금의 스핀 확산 길이를 1.4 ± 0.3 nm로 재평가함으로써, 서로 다른 결과들을 통합하며, 스핀 홀 전도도는 (1.4–3.4) × 10⁵ [ħ/(2e)] (Ω·m)⁻¹ 범위, 스핀 홀 각도는 0.05 이상임을 확인하여 백금이 스핀트로닉스 응용 분야에서 강력한 잠재력을 지닌다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Several different experimental techniques have been used in efforts to measure the spin Hall conductivity and the spin Hall angle in Pt samples at room temperature, with results that disagree by more than a factor of 20, with spin Hall conductivities from 2.4 x 10^4 to 5.1 x 10^5 [hbar/(2e)] (Ohm-m)^-1 and spin Hall angles from 0.0037 to 0.08. We review this work, and analyze possible reasons for the discrepancies. We explain that the smallest values for the spin Hall angle that have been reported, based on measurements of lateral permalloy/copper/platinum devices, are incorrect because the original analyses did not properly take into account that copper layers in these devices will shunt charge current flowing through adjacent platinum wires, thereby greatly reducing the size of the spin-Hall-related signals. We suggest that differences between the results for the spin Hall angle found by other experimental techniques are primarily a consequence of different assumptions about the value of the spin diffusion length in Pt. We present a new measurement of the spin diffusion length in Pt within sputtered Pt/permalloy bilayer thin films at room temperature, finding 1.4 \pm 0.3 nm, a much smaller value than has generally been assumed previously. With this value for the spin diffusion length, the previously-discordant results can be brought into much better agreement, with the result that the spin Hall conductivities are (1.4 - 3.4) x 10^5 [hbar/(2e)] (Ohm-m)^-1 and the spin Hall angles are greater than 0.05. These values are sufficiently large that the spin Hall effect in Pt can be used to generate spin currents and spin transfer torques strong enough for efficient manipulation of magnetic moments in adjacent ferromagnetic layers.

연구 동기 및 목표

• 다양한 실험 연구에서 보고된 백금의 스핀 홀 전도도 및 스핀 홀 각도 값 간에 발생하는 큰 격차를 해결하기 위해.
• 특히 횡방향 장치에서 구리 박막을 통한 전하 전류 유출를 간과한 분석의 방법론적 결함을 규명하고 수정하기 위해.
• 실온에서 스퍼터링된 백금/니켈철 합금 이중막에서의 스핀 확산 길이를 재평가하여, 신호 해석에 영향을 미치는 핵심 매개변수를 명확히 하기 위해.
• 수정된 스핀 확산 길이를 바탕으로 일관된 물리 모델을 적용하여 이전에 서로 다른 결과들을 통합하기 위해.
• 정확한 스핀 홀 효과 매개변수를 통해 백금을 스핀트로닉스 장치에 안정적으로 활용할 수 있는 신뢰할 수 있는 정량적 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 스핀 홀 자화저항도 및 스핀 축적 측정 기법을 포함한 다양한 기술로 백금에서 스핀 홀 효과를 측정한 15건 이상의 실험 연구를 체계적으로 검토하고 비판적으로 분석하였다.
• 구리 박막이 스핀 홀 신호를 억제하는 유출 효과를 고려하여 횡방향 니켈철/구리/백금 장치를 재분석하였다.
• 수정된 스핀 확산 길이를 포함하는 수정된 스핀 확산 모델을 사용하여 스핀 홀 전도도 및 각도를 재계산하였다.
• 스핀 홀 기하구조를 수정하여 스퍼터링된 백금/니켈철 이중막에서 직접 스핀 확산 길이를 측정하였으며, 측정된 전압 신호를 두께에 따라 피팅하여 분석하였다.
• 다양한 장치 구조에서 이론적 예측과 실험 데이터를 비교하여 수정된 매개변수의 타당성을 검증하였다.
• 오차 전파 및 불확도 분석을 적용하여 최종 스핀 홀 매개변수의 신뢰구간을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유사한 실험 조건에서도 백금에서의 스핀 홀 각도 측정치가 20배 이상의 격차를 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ2 횡방향 스핀트로닉스 장치에 존재하는 구리 박막은 측정된 스핀 홀 신호에 어떤 영향을 미치며, 왜 이전 분석에서는 이를 간과했는가?
• RQ3 실온에서 스퍼터링된 백금의 진정된 스핀 확산 길이는 얼마이며, 이는 스핀 홀 효과 측정치의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 수정된 스핀 확산 길이를 사용한 단일이고 일관된 물리 모델을 통해 이전에 일관되지 않았던 스핀 홀 전도도 및 각도 결과를 통합할 수 있는가?
• RQ5 수정된 스핀 홀 매개변수가 백금을 스핀트로닉스 장치에서 실용적으로 활용하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실온에서 스퍼터링된 백금/니켈철 이중막에서의 스핀 확산 길이는 1.4 ± 0.3 nm로, 이전에 가정된 값보다 현저히 작다.
• Cu/Pt 기반 횡방향 장치에서 보고된 가장 작은 스핀 홀 각도(예: 약 0.0037)는 전하 전류가 구리 박막을 통해 유출되는 것을 고려하지 않은 탓에 잘못된 것이다.
• 수정된 스핀 확산 길이를 바탕으로 백금의 스핀 홀 전도도는 (1.4–3.4) × 10⁵ [ħ/(2e)] (Ω·m)⁻¹로 재평가되었다.
• 수정된 스핀 홀 각도는 0.05를 초과하여 백금이 효율적인 스핀 전류 생성에 적합한 강력한 스핀 홀 효과를 지닌다는 것을 시사한다.
• 수정된 매개변수를 통해 다양한 측정 기술 및 장치 기하구조에서 이전에 서로 다른 결과들이 통합되었다.
• 연구 결과는 백금이 인접한 투명한 자성층의 자화를 효과적으로 제어할 수 있을 정도로 강력한 스핀 전류 및 스핀 전달 토크를 생성할 수 있음을 확인한다.