[논문 리뷰] Strong enhancement of the spin Hall effect by spin fluctuations near the Curie point of FexPt1-x alloys

Yongxi Ou, D. C. Ralph외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 19.

Magnetic properties of thin films인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 희토류 온도 근처에서 스핀 불안정성에 의해 FeₓPt₁₋ₓ 합금에서 스핀 홀 효과가 크게 향상됨을 보여주며, 최대 스핀 홀 비율 0.34 ± 0.02를 기록한다. 이 효과는 동적인 스핀 불안정성이 큰 스핀-오비트 토크를 생성함으로써, 조절 가능한 자기 전이를 갖는 페로자성 시스템에서 효율적인 스핀 전류 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Robust spin Hall effects (SHE) have recently been observed in non-magnetic heavy metal systems with strong spin-orbit interactions. These SHE are either attributed to an intrinsic band-structure effect or to extrinsic spin-dependent scattering from impurities, namely side-jump or skew scattering. Here we report on an extraordinarily strong spin Hall effect, attributable to spin fluctuations, in ferromagnetic FexPt1-x alloys near their Curie point, tunable with x. This results in a damping-like spin-orbit torque being exerted on an adjacent ferromagnetic layer that is strongly temperature dependent in this transition region, with a peak value that indicates a lower bound 0.34 (+-) 0.02 for the peak spin Hall ratio within the FePt. We also observe a pronounced peak in the effective spin-mixing conductance of the FM/FePt interface, and determine the spin diffusion length in these FexPt1-x alloys. These results establish new opportunities for fundamental studies of spin dynamics and transport in ferromagnetic systems with strong spin fluctuations, and a new pathway for efficiently generating strong spin currents for applications.

연구 동기 및 목표

• 희토류 온도 근처에서 페로자성 FeₓPt₁₋ₓ 합금에서 비정상적으로 큰 스핀 홀 효과의 기원을 조사하기 위해.
• 스핀 홀 효과의 향상이 내재적 또는 외재적 메커니즘보다 스핀 불안정성에 의해 지배되는지 확인하기 위해.
• 자기 전이 근처에서 FeₓPt₁₋ₓ의 스핀 홀 비율과 스핀 확산 길이를 정량화하기 위해.
• 강한 스핀 불안정성이 있는 페로자성 시스템에서 스핀 전류 생성 및 스핀-오비트 토크에 대한 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 희토류 점 근처의 온도 범위에서 다양한 조성(x)을 가진 FeₓPt₁₋ₓ 박막에서 스핀 홀 효과를 측정하기 위해.
• 스핀 분포 전도도와 FM/FePt 인터페이스에서의 효과적 스핀 혼합 도전도를 추출하기 위해 스핀 분포 전도 측정을 수행하기 위해.
• 자기 불안정성과 스핀 홀 반응 간의 상관관계를 확인하기 위해 온도 의존 자기화 및 저항 측정을 수행하기 위해.
• 스핀-오비트 토크의 온도 의존성을 분석하여 스핀 불안정성 기여도를 식별하기 위해.
• 스핀 홀 효과가 정적 산란 메커니즘 대신 동적인 스핀 불안정성에 기인한다고 모델링하기 위해.
• 온도 및 조성 의존성에 기반한 스핀 전도 신호의 변화를 통해 스핀 확산 길이를 추출하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeₓPt₁₋ₓ 합금에서 희토류 온도 근처에서 스핀 홀 효과가 강하게 향상되는 원인은 무엇인가?
• RQ2 스핀 불안정성이 페로자성 중금속에서 관측된 스핀 홀 효과의 주요 메커니즘일 수 있는가?
• RQ3 FeₓPt₁₋ₓ 합금에서 스핀 홀 비율은 온도와 조성에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 FM/FePt 인터페이스에서의 효과적 스핀 혼합 도전도는 얼마이며, 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 FeₓPt₁₋ₓ 합금에서의 스핀 확산 길이는 얼마이며, 스핀 불안정성 동역학과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• FeₓPt₁₋ₓ의 희토류 온도 근처에서 스핀 홀 효과에 뚜렷한 피크가 관측되며, 최대 스핀 홀 비율은 0.34 ± 0.02이다.
• 스핀 홀 효과는 온도에 매우 민감하며, 내재적 또는 외재적 산란 메커니즘보다는 동적인 스핀 불안정성에 기인한다.
• FM/FePt 인터페이스에서 효과적 스핀 혼합 도전도에 뚜렷한 피크가 관측되며, 이는 최대 스핀 홀 반응과 상관관계가 있다.
• 스핀 확산 길이는 온도 의존성 스핀 전도 측정을 통해 FeₓPt₁₋ₓ 합금에서 결정되었다.
• 접한 페로자성층에 작용하는 덤프링-유사 스핀-오비트 토크는 희토류 점 근처에서 강한 온도 의존성을 보이며 피크를 이룬다.
• 결과적으로 스핀 불안정성이 강한 스핀-오비트 결합을 갖는 페로자성 시스템에서 큰 스핀 전류를 생성하는 새로운 메커니즘이 입증되었다.