[논문 리뷰] Strain-induced large topological Hall effect in Pt/YIG bilayers

Qian Liu, Kangkang Meng외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 17.

Magneto-Optical Properties and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 SGGG 기반재에 성장된 Pt/YIG 이중막에서, YIG/SGGG 인터페이스에서 발생하는 계면 격자 응력에 의해 유도된 큰 위상적 홀 효과(THE)를 보여준다. 응력은 자성 텍스처를 변화시켜 GGG 기반 이중막과는 다름을 보이는 강화된 위상적 홀 신호를 유도하며, 이는 스핀트로닉스 응용을 위한 자성 절연체의 전자기적 성질을 조절하는 데 있어 응력 공학이 매우 효과적인 수단임을 시사한다.

ABSTRACT

Large topological Hall effect (THE) has been investigated for Pt/Y3Fe5O12 (YIG) bilayers grown on (Gd2.6Ca0.4)(Ga4.1Mg0.25Zr0.65)O12 (SGGG) substrate, which is ascribed to lattice strain at the YIG/SGGG interfaces. The topological portion of the Hall signal has been extracted in the temperature range from 150 K to 350 K. The results were compared with those in Pt/YIG/Gd3Ga5O12 (GGG) multilayers, from which we confirmed that the THE signals in the SGGG substrate are obvious different from those in the GGG substrate derived from magnetic frustration at the Pt/YIG surface. The present work not only demonstrate that the strain control can effectively tune the electromagnetic properties of magnetic insulators (MI) but also open up the exploration of THE for fundamental physics and magnetic storage technologies based on MI.

연구 동기 및 목표

• SGGG 기반재에 성장된 Pt/YIG 이중막에서 큰 위상적 홀 효과(THE)의 기원을 조사하기 위해.
• 계면 격자 응력이 자성 텍스처와 전자기 반응을 어떻게 변화시키는지 규명하기 위해.
• SGGG 기반과 GGG 기반 YIG 이중막의 THE 반응을 비교하여 응력 유도 효과를 분리하기 위해.
• 미래의 스핀트로닉스 기술을 위한 자성 절연체의 위상적 성질을 조절하기 위해 응력 공학의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 계면 응력을 유도하기 위해 에피택셜 Pt/YIG 이중막을 (Gd2.6Ca0.4)(Ga4.1Mg0.25Zr0.65)O12(SGGG) 기반재에 성장시켰다.
• 150 K에서 350 K의 온도 범위에서 총 홀 저항에서 위상적 홀 신호를 추출하였다.
• 기반재 유도 응력의 영향을 분리하기 위해 Pt/YIG/Gd3Ga5O12(GGG) 다층막에 대한 비교 측정을 수행하였다.
• Pt/YIG 계면에서의 자성 과잉(ferromagnetic frustration)이 SGGG 기반 이중막에서 강화된 THE의 기원일 수 있음을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SGGG 기반재에 성장된 Pt/YIG 이중막에서 관측된 큰 위상적 홀 효과의 기원은 무엇인가?
• RQ2 YIG/SGGG 계면에서의 격자 응력이 자성 텍스처와 위상적 홀 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 SGGG 기반 이중막의 THE는 GGG 기반 YIG 다층막과 어떻게 다름을 보이는가?
• RQ4 어느 정도까지 응력 공학을 활용하여 자성 절연체의 위상적 전자기적 성질을 조절할 수 있는가?

주요 결과

• Pt/YIG/SGGG 이중막에서의 큰 위상적 홀 효과는 주로 YIG/SGGG 계면에서의 격자 응력에 기인한다.
• 위상적 홀 신호는 150 K에서 350 K의 온도 범위 전반에서 일관되게 관측되어 효과의 안정성을 시사한다.
• SGGG 기반 샘플의 THE는 GGG 기반 다층막과 현저히 다르며, 이는 Pt/YIG 계면에서의 자성 과잉과 관련된 별개의 기원을 시사한다.
• 결과는 응력 제어가 자성 절연체의 전자기적 성질을 조절하는 데 효과적인 메커니즘이라는 것을 확인한다.