[论文解读] Non-trivial charge-to-spin conversion in ferromagnetic metal/Cu/Al2O3 by orbital transport

Junyeon Kim, Dongwook Go+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 55被引用 7

一句话总结

本研究在不含重金属的铁磁金属/Cu/Al2O3三明治异质结构中，通过轨道输运而非自旋-轨道效应，实现了高效的电荷-自旋转换。所观测到的自旋力矩效率优于传统的Pt和Bi等重金属体系，表明一种通过轨道电流实现自旋生成的新机制，该机制偏离了标准自旋输运模型。

ABSTRACT

Efficient spin/charge interconversion is desired to develop innovative spin-based devices. So far, the interconversion has been performed by using heavy atomic elements, strong spin-orbit interaction of which realizes the interconversion through the spin Hall effect and the Edelstein effect. We demonstrate highly efficient charge-to-spin conversion in a ferromagnetic metal/Cu/Al2O3 trilayers, which do not contain any heavy element. The resulting spin torque efficiency is higher than those of conventional spin Hall and Rashba systems consisting of heavy elements such as Pt and Bi. Our experimental results qualitatively deviate from typical behaviors arising from spin transport. However, they are surprisingly consistent with the behaviors arising from the orbital transport. Our results thus demonstrate a new direction for efficient charge-to-spin conversion through the orbital transport.

研究动机与目标

• 在不依赖重金属的前提下，实现基于氧化物的异质结构中高效的电荷-自旋转换。
• 探究超越自旋-轨道耦合的自旋生成替代机制，例如轨道输运。
• 证明过渡金属/氧化物体系中的自旋力矩效率可超过传统自旋霍尔和Rashba体系。
• 识别并验证一种根植于轨道自由度的非平凡电荷-自旋转换机制。

提出的方法

• 利用分子束外延和溅射技术制备铁磁金属/Cu/Al2O3三明治结构。
• 采用自旋极化输运测量技术探测电荷-自旋转换效率。
• 利用角度依赖的磁阻测量和自旋力矩测量，区分自旋输运与轨道输运的贡献。
• 将自旋力矩效率与Pt和Bi基异质结构等基准体系进行比较，确立其性能优越性。
• 基于轨道电流贡献的理论建模，解释观测到的偏离标准自旋输运行为的非平凡特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在不含重金属的铁磁金属/Cu/Al2O3异质结构中实现高效的电荷-自旋转换？
• RQ2 在缺乏强自旋-轨道耦合的条件下，轨道输运是否对电荷-自旋转换有显著贡献？
• RQ3 该体系中的自旋力矩效率与传统自旋霍尔和Rashba体系相比如何？
• RQ4 为何实验结果与这类异质结构中的典型自旋输运行为相偏离？

主要发现

• 铁磁金属/Cu/Al2O3三明治结构表现出高于Pt和Bi基体系的电荷-自旋转换效率。
• 所观测到的自旋力矩效率超过传统重金属体系的性能，表明存在一种新的自旋生成路径。
• 实验结果与标准自旋输运模型存在定性偏离，提示存在非平凡机制。
• 数据可一致地由轨道输运解释，而非自旋-轨道诱导效应（如自旋霍尔效应或爱德尔斯坦效应）。
• 结果表明，轨道自由度可在基于氧化物的异质结构中驱动高效的电荷-自旋转换。