[논문 리뷰] Tunable creation of pure spin supercurrents via Rashba spin-orbit coupling with Pt/Co/Pt spin sinks

Kun-Rok Jeon, X. Montiel외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 02.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 텅스텐/코발트/텅스텐 스핀 싱크에서 라슈바 스핀 오비트 결합을 통해 니니움(Nb)에서 조절 가능한 순수 스핀 슈퍼전류를 입증한다. 여기서 슈퍼전류 효율은 코발트층의 자화 방향을 전환함으로써 제어된다. 약한 스핀 오비트 결합을 가진 구리(Cu) 스퍼터를 삽입함으로써, 저자들은 순수 스핀 슈퍼전류를 생성하고 전달하는 데 있어 라슈바형 스핀 오비트 결합이 필수적임을 확인한다. 이는 수직 스핀 슈퍼전류 채널을 통해 가변적인 수평 스핀 파동 전파를 제어할 수 있는 가변성 있는 초전도 스핀웨이브 장치를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recent ferromagnetic resonance experiments and theory of Pt/Nb/Ni8Fe2 proximity-coupled structures strongly suggest that spin-orbit coupling (SOC) in Pt in conjunction with a magnetic exchange field in Ni8Fe2 are the essential ingredients to generate a pure spin supercurrent channel in Nb. Here, by substituting Pt for a perpendicularly magnetized Pt/Co/Pt spin-sink, we are able to demonstrate the role of SOC, and show that pure spin supercurrent pumping efficiency across Nb is tunable by controlling the magnetization direction of Co. By inserting a Cu spacer with weak SOC between Nb and Pt/(Co/Pt) spin-sink, we also prove that Rashba type SOC is key for forming and transmitting pure spin supercurrents across Nb. Finally, by engineering these properties within a single multilayer structure, we demonstrate a prototype superconducting spin-wave (SW) device in which lateral SW propagation is gateable via the opening or closing of a vertical pure spin supercurrent channel in Nb.

연구 동기 및 목표

• 초전도 니니움(Nb)에서 순수 스핀 슈퍼전류를 생성하는 데 있어 스핀 오비트 결합(SOC)의 역할을 조사하는 것.
• 라슈바형 SOC가 Nb를 관통하는 순수 스핀 슈퍼전류의 형성과 전달에 필수적인지 확인하는 것.
• Pt/Co/Pt 스핀 싱크의 코발트층 자화 방향을 제어함으로써 스핀 슈퍼전류 효율을 조절할 수 있음을 보여주는 것.
• 수직 순수 스핀 슈퍼전류 채널을 통해 가변적인 수평 스핀 웨이브 전파를 제어할 수 있는 초전도 스핀웨이브 장치의 프로토타입을 설계하는 것.

제안 방법

• 스핀 슈퍼전류 생성의 기초를 마련하기 위해, Pt/Nb/Ni8Fe2 구조를 분석하기 위해 자성공명 실험과 이론 모델링을 사용하는 것.
• 스핀 슈퍼전류 효율을 자화 방향 제어로 가능하게 하기 위해, Ni8Fe2를 수직 자화가 있는 Pt/Co/Pt 스핀 싱크로 대체하는 것.
• Nb와 Pt/(Co/Pt) 스핀 싱크 사이에 약한 SOC를 가진 Cu 스퍼터를 삽입하여, 라슈바형 SOC가 스핀 슈퍼전류 전달에 미치는 역할을 분리적으로 확인하는 것.
• 스핀 싱크, 스퍼터, 그리고 Nb를 통합한 다층 구조를 설계하여 功能성 초전도 스핀웨이브 장치를 실험적으로 구현하는 것.
• 코발트층의 자화 상태를 이용해 수직 순수 스핀 슈퍼전류 채널을 켜거나 끄는 방식으로 스핀 웨이브 전파를 제어하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pt/Co/Pt 스핀 싱크에서 라슈바 스핀 오비트 결합을 이용해 니니움(Nb)에서 순수 스핀 슈퍼전류를 생성하고 조절할 수 있는가?
• RQ2 Nb를 관통하는 순수 스핀 슈퍼전류의 형성과 전달에 있어 라슈바형 스핀 오비트 결합이 필수적인가?
• RQ3 코발트층의 자화 방향을 조작함으로써 스핀 슈퍼전류 펌프 효율을 제어할 수 있는가?
• RQ4 공학적으로 설계된 SOC 및 자성 특성을 가진 다층 구조는 가변성 있는 초전도 스핀웨이브 장치를 가능하게 하는가?

주요 결과

• Pt/Co/Pt 스핀 싱크의 코발트층 자화 방향을 전환함으로써, Nb를 관통하는 순수 스핀 슈퍼전류 펌프 효율이 조절 가능하다.
• Nb와 Pt/(Co/Pt) 스핀 싱크 사이에 약한 SOC를 가진 Cu 스퍼터를 삽입함으로써, 라슈바형 스핀 오비트 결합이 순수 스핀 슈퍼전류 전달에 필수적임을 확인한다.
• Pt/Co/Pt 구조에 존재하는 라슈바 SOC는 Nb에서 순수 스핀 슈퍼전류 채널을 형성할 수 있으며, 이 채널은 코발트의 자화 상태에 의해 켜거나 끌 수 있다.
• 다층 구조를 통해 수평 스핀 웨이브 전파가 수직 순수 스핀 슈퍼전류 채널의 케이스/오프 제어에 의해 제어되는 프로토타입 초전도 스핀웨이브 장치가 성공적으로 구현되었다.