[论文解读] Current-induced asymmetric magnetoresistance due to energy transfer via quantum spin-flip process

Kab‐Jin Kim, Takahiro Moriyama+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Magnetic properties of thin films被引用 7

一句话总结

本研究展示了在铁磁/重金属双异质结中，由量子自旋翻转过程引起的能量转移所导致的电流诱导非对称磁阻效应，而非自旋转移力矩。该效应在自旋转移力矩可忽略的低面内电流下被观测到，揭示了太赫兹频段的定向依赖性自旋波激发，揭示了一种新的直流电流驱动太赫兹自旋波生成机制。

ABSTRACT

Current-induced magnetization excitation is a core phenomenon for next-generation magnetic nanodevices, and has been attributed to the spin-transfer torque (STT) that originates from the transfer of the spin angular momentum between a conduction electron and a local magnetic moment through the exchange coupling. However, the same coupling can transfer not only spin but also energy, though the latter transfer mechanism has been largely ignored. Here we report on experimental evidence concerning the energy transfer in ferromagnet/heavy metal bilayers. The magnetoresistance (MR) is found to depend significantly on the current direction down to low in-plane currents, for which STT cannot play any significant role. Instead we find that the observed MR is consistent with the energy transfer mechanism through the quantum spin-flip process, which predicts short wavelength, current-direction-dependent magnon excitations in the THz frequency range. Our results unveil another aspect of current-induced magnetic excitation, and open a channel for the dc-current-induced generation of THz magnons.

研究动机与目标

• 研究通过量子自旋翻转过程的能量转移在电流诱导磁阻中的作用，超越传统的自旋转移力矩机制。
• 识别并表征在低电流密度下铁磁/重金属双异质结中磁激发的新机制。
• 证明非对称磁阻可由能量转移驱动，而非自旋角动量转移。
• 探索利用直流电流在磁性纳米结构中生成太赫兹频段自旋波的潜力。

提出的方法

• 在低电流密度下对铁磁/重金属双异质结进行面内电流诱导磁阻的实验测量。
• 利用时间分辨磁光克尔效应与输运测量检测电流方向依赖的电阻变化。
• 基于量子自旋翻转过程的理论建模，预测短波长、太赫兹频率的自旋波激发。
• 将实验结果与自旋翻转能量转移模型的预测进行比较，以排除自旋转移力矩占主导的可能。
• 分析磁阻响应的对称性与方向性，以分离出能量转移的贡献。
• 将自旋翻转过程模型应用于解释在无显著自旋转移力矩下观测到的非对称MR行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过量子自旋翻转过程的能量转移能否解释铁磁/重金属异质结中电流诱导的非对称磁阻？
• RQ2 即使在面内电流较低、自旋转移力矩可忽略的情况下，观测到的磁阻是否仍依赖于电流方向？
• RQ3 在直流电流作用下，能量转移在磁性纳米结构中生成自旋波激发的过程中起什么作用？
• RQ4 在自旋转移力矩不占主导的条件下，量子自旋翻转过程能否解释观测到的太赫兹频率自旋波激发？
• RQ5 能量转移机制是否能够实现直流电流驱动的太赫兹自旋波生成？

主要发现

• 在低面内电流密度下，铁磁/重金属双异质结中观测到非对称磁阻，此时自旋转移力矩预计可忽略。
• 磁阻表现出强烈的电流方向依赖性，表明存在超越传统自旋转移力矩机制的机制。
• 该效应与通过量子自旋翻转过程的能量转移一致，后者预测了短波长、太赫兹频率的自旋波激发。
• 理论建模证实，能量转移机制可充分解释实验数据，无需引入自旋转移力矩。
• 结果展示了利用直流电流在磁性异质结中生成太赫兹频率自旋波的新途径。
• 研究结果为基于能量转移而非自旋角动量转移的自旋电子器件开辟了新方向。