[論文レビュー] Anisotropic spin-orbit torque generation in epitaxial SrIrO3 by symmetry design

Tianxiang Nan, Anderson, T. J.+14 more|PubMed Central|Aug 20, 2018

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial歪みを用いた結晶対称性の設計により、エpitaxialな SrIrO3 薄膜において室温で高効率な異方性スピン軌道トルクを生成することを示した。正方晶 SrIrO3 における角共有酸素オクタヘドロンの傾きを調整することで、対称性依存のスピン軌道結合を制御し、電子バンド構造に設計されたベリー曲率をもたらし、スピン-電荷変換における強い異方性を実現した。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC), the interaction between the electron spin and the orbital angular momentum, can unlock rich phenomena at interfaces, in particular interconverting spin and charge currents. Conventional heavy metals have been extensively explored due to their strong SOC of conduction electrons. However, spin-orbit effects in classes of materials such as epitaxial 5d-electron transition metal complex oxides, which also host strong SOC, remain largely unreported. In addition to strong SOC, these complex oxides can also provide the additional tuning knob of epitaxy to control the electronic structure and the engineering of spin-to-charge conversion by crystalline symmetry. Here, we demonstrate room-temperature generation of spin-orbit torque on a ferromagnet with extremely high efficiency via the spin-Hall effect in epitaxial metastable perovskite SrIrO3. We first predict a large intrinsic spin-Hall conductivity in orthorhombic bulk SrIrO3 arising from the Berry curvature in the electronic band structure. By manipulating the intricate interplay between SOC and crystalline symmetry, we control the spin-Hall torque ratio by engineering the tilt of the corner-sharing oxygen octahedra in perovskite SrIrO3 through epitaxial strain. This allows the presence of an anisotropic spin-Hall effect due to a characteristic structural anisotropy in SrIrO3 with orthorhombic symmetry. Our experimental findings demonstrate the heteroepitaxial symmetry design approach to engineer spin-orbit effects. We therefore anticipate that these epitaxial 5d transition-metal oxide thin films can be an ideal building block for low-power spintronics.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合を示す 5d遷移金属酸化物薄膜、特に SrIrO3 におけるスピン軌道トルク生成を調査すること。
• 強いスピン軌道結合とチューナブルな電子構造を有するが、報告されたスピン軌道効果が乏しい複雑酸化物の課題を克服すること。
• エpitaxial歪みが結晶対称性を制御することで、スピンホールトルクの異方性を設計可能であることを示すこと。
• 低消費電力スピントロニクス応用を目的とした酸化物ヘテロ構造におけるスピン軌道効果を調整するための対称性設計戦略を確立すること。

提案手法

• 電子バンド構造内のベリー曲率に基づく、正方晶 bulk SrIrO3 における大きな固有のスピンホール電導度の理論的予測。
• 格子整合性のある基板上への力学的不安定なペロブスカイト型 SrIrO3 薄膜のエpitaxial成長により歪みを誘導し、酸素オクタヘドロンの傾きを制御する。
• エpitaxial歪みを用いて結晶対称性を操作し、スピン軌道結合の異方性を調整する。
• フェリ磁性層を含むヘテロ構造においてスピン軌道トルクを実験的に測定し、トルク効率と異方性を定量する。
• スピン軌道結合と構造的異方性の相乗作用を分析し、観測されたトルク異方性を説明する。
• 理論的予測と実験結果を比較することで、対称性がスピンホール効果をどのように制御するかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrIrO3 におけるエpitaxial歪みの設計によって、酸素オクタヘドロンの傾き制御を通じて測定可能なスピン軌道トルクの異方性を誘導できるか？
• RQ2 正方晶 SrIrO3 の結晶対称性は、スピンホール電導度およびトルク効率にどのように影響するか？
• RQ3 5d遷移金属酸化物における固有のスピンホール電導度は、対称性設計によってどの程度向上・調整可能か？
• RQ4 SrIrO3 の電子バンド構造におけるベリー曲率は、強いスピン軌道トルクを可能にする役割を果たすか？
• RQ5 エpitaxialな SrIrO3 は、室温で低消費電力スピントロニクスデバイスの高効率なスピン軌道トルク源として機能できるか？

主な発見

• 理論的計算により、電子バンド構造内の強いベリー曲率のおかげで、正方晶 SrIrO3 に大きな固有のスピンホール電導度が予測された。
• エpitaxial歪みにより、角共有酸素オクタヘドロンの制御された傾きが実現され、結晶対称性とスピン軌道結合の異方性が変化した。
• 実験的に顕著なスピンホールトルクの異方性が観測され、歪み誘起の対称性破れによってトルク効率が調整可能であることが示された。
• スピンホールトルク比は結晶指向に依存して変化し、スピン軌道応答における構造的異方性の存在が確認された。
• 高効率な室温スピン軌道トルク生成が達成され、エpitaxialな SrIrO3 がスピントロニクス応用に実用可能であることが示された。
• 本研究では、複雑酸化物におけるスピン軌道効果を設計するための対称性設計戦略を確立し、酸化物ベースのスピントロニクスの新たな道筋を開いた。