[論文レビュー] Electrically controlled long-distance spin transport through an antiferromagnetic insulator

Romain Lebrun, Andrew Ross+7 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 25被引用数 167

ひとこと要約

スピン・ホール注入を介して酸化鉄( hematite )（α-Fe2O3）を通る長距離スピン電流輸送を実証し、界面スピンバイアスによるスピン流の制御と反強磁性共鳴の磁場調整による制御を示す。

ABSTRACT

Spintronics uses spins, the intrinsic angular momentum of electrons, as an alternative for the electron charge. Its long-term goal is in the development of beyond-Moore low dissipation technology devices. Recent progress demonstrated the long-distance transport of spin signals across ferromagnetic insulators. Antiferromagnetically ordered materials are however the most common class of magnetic materials with several crucial advantages over ferromagnetic systems. In contrast to the latter, antiferromagnets exhibit no net magnetic moment, which renders them stable and impervious to external fields. In addition, they can be operated at THz frequencies. While fundamentally their properties bode well for spin transport, previous indirect observations indicate that spin transmission through antiferromagnets is limited to short distances of a few nanometers. Here we demonstrate the long-distance, over tens of micrometers, propagation of spin currents through hematite (α-Fe2O3), the most common antiferromagnetic iron oxide, exploiting the spin Hall effect for spin injection. We control the spin current flow by the interfacial spin-bias and by tuning the antiferromagnetic resonance frequency with an external magnetic field. This simple antiferromagnetic insulator is shown to convey spin information parallel to the compensated moment (Néel order) over distances exceeding tens of micrometers. This newly-discovered mechanism transports spin as efficiently as the net magnetic moments in the best-suited complex ferromagnets. Our results pave the way to ultra-fast, low-power antiferromagnet-insulator-based spin-logic devices that operate at room temperature and in the absence of magnetic fields.

研究の動機と目的

• 反強磁性絶縁体（AFIs）を用いた低消耗のスピンデバイスを動機付ける。
• 十数マイクロメートルにわたるAFIを介した長距離スピン電流伝搬を示す。
• スピンホール効果による電気的注入と、界面スピンバイアスおよび磁場調整による制御を実証する。
• 安定性とTHz動作におけるAFIsの利点を、強磁性体に対して強調する。

提案手法

• 反強磁性絶縁体としてのヘマタイト（α-Fe2O3）にスピンを注入するためにスピンホール効果を用いる。
• 遠方の界面で送られたスピン情報を検出して輸送長スケールを定量化する。
• 外部磁場で反強磁性共鳴周波数を調整してスピン輸送を変調する。
• AFI境界での界面スピンバイアスによってスピンフローを制御する。
• 低電力スピン論理の可能性を評価するために、輸送効率を鉄磁体と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘマタイトの反強磁性絶縁体を介して、スピン電流を十数マイクロメートル以上伝搬できるか。
• RQ2 界面スピンバイアスがAFIを横断するスピン輸送にどう影響するか。
• RQ3 外部磁場によるAF共鳴の調整がスピン伝達をどの程度調整するか。
• RQ4 室温で、AFIは強磁性材料と同等の効率でスピン情報を伝達できるのか。
• RQ5 反強磁性絶縁体ベースのスピン論理デバイスへの影響は何か。

主な発見

• スピン電流はヘマタイトを十数マイクロメートル以上伝搬し、AFIにおける長距離輸送を実証。
• スピンホール効果によるスピン注入がAFIを介したスピン伝搬を可能にする。
• 界面スピンバイアスはAFI界面を横断して送られるスピン電流量を制御する。
• 外部磁場による反強磁性共鳴周波数の調整がスピン輸送を変調する。
• この機構は室温で磁化の総和がなくても効率的にスピン情報を伝えることを可能にする。
• 結果は超高速・低電力のAFIベースのスピン論理デバイスの可能性を示唆する。