[論文レビュー] Observation of long-range orbital transport and giant orbital torque

Hiroki Hayashi, Daegeun Jo+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2022

Spacecraft Dynamics and Control被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、強磁性体および非磁性体において、長距離にわたる軌道電流輸送および巨大な軌道トーキングを実験的に示した。その結果、軌道電流がスピン電流よりも10倍以上長い距離にわたって伝播することを明らかにした。研究者たちは、スピントーキングをはるかに上回る高い軌道トーキング効率を観測し、軌道角運動量輸送に基づくオルビトロニクスの基盤を確立した。

ABSTRACT

Modern spintronics relies on the generation of spin currents through spin-orbit coupling. The spin-current generation has been believed to be triggered by current-induced orbital dynamics, which governs the angular momentum transfer from the lattice to the electrons in solids. The fundamental role of the orbital response in the angular momentum dynamics suggests the importance of the orbital counterpart of spin currents: orbital currents. However, evidence for its existence has been elusive. Here, we demonstrate the generation of giant orbital currents and uncover fundamental features of the orbital response. We experimentally and theoretically show that orbital currents propagate over longer distances than spin currents by more than an order of magnitude in a ferromagnet and nonmagnets. Furthermore, we find that the orbital current enables electric manipulation of magnetization with efficiencies significantly higher than the spin counterpart. These findings open the door to orbitronics that exploits orbital transport and spin-orbital coupled dynamics in solid-state devices.

研究の動機と目的

• 強磁性体および非磁性体において、軌道電流の存在および長距離伝播を実験的に証明すること。
• 特に減衰長およびプリセッションダイナミクスの観点から、軌道電流とスピン電流の輸送の根本的差異を調査すること。
• スピントーキングと比較して、磁性ヘテロ構造における軌道トーキングの効率を測定・定量すること。
• 固体内における軌道角運動量移動に基づくオルビトロニクスの理論的および実験的枠組みを確立すること。

提案手法

• 線形シャッタを用いて厚さを制御し、SiO2基板上にRF磁気スパッタリング法を用いて強磁性体/非磁性体ヘテロ構造（Ni、NiFe、Ti、W）を作製した。
• GSGコンタクトを用いてスピントーキング誘起磁気共鳴（ST-FMR）測定を実施し、異方性磁気抵抗を介して電流誘起磁化ダイナミクスを検出した。
• 印加磁場およびRF電流の関数としてのDC電圧応答を測定し、減衰型および磁場型トーキングを抽出した。
• 四端子抵抗率測定およびX線回折を用いてW膜の電気的および構造的特性を特徴付けた。
• ジュール加熱に起因する抵抗変化からRF電流を特定し、印加電場を正確に推定した。
• 実験データと理論的モデリングを統合し、運動量空間における軌道ホットスポットを通じた長距離軌道輸送および巨大軌道トーキングを説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性体および非磁性体において、スピン電流よりも著しく長い距離にわたって軌道電流が伝播可能か？
• RQ2 磁性ヘテロ構造において、スピントーキングと比較して軌道トーキングの大きさと効率はどの程度か？
• RQ3 特に、簡約な軌道ホットスポットの存在が運動量空間における応答が電流輸送および角運動量移動に与える影響は？
• RQ4 実際の物質において、長距離軌道輸送および巨大軌道トーキングの実験的証拠を確立できるか？
• RQ5 スピン-軌道結合は、軌道角運動量からスピン自由度への移行をどのように媒介しているか？

主な発見

• 強磁性体および非磁性体の両方において、軌道電流がスピン電流よりも10倍以上長い距離にわたって伝播することが観測された。
• 強磁性体における軌道電流の減衰長は、スピン電流のそれよりも顕著に長く、スピンプリセッションにより1 nm未満で減衰することが判明した。
• 巨大な軌道トーキング効率が測定され、スピントーキングをはるかに上回る高い効率が示され、磁化の電気的制御が優れていることが示された。
• 理論的分析により、ほぼ簡約な軌道状態が運動量空間に「ホットスポット」として形成され、プリセッションを最小限に抑え、長距離伝播を可能にすることが確認された。
• 10 nm以上の厚さのW膜では抵抗率が $ t^{-1} $ の依存性を示し、$ ho_{\text{bulk}} = 9.96~\rm{\rho\text{cm}} $ と、バルク的挙動を示し、高品質な結晶性 $ \beta $-W相であることが確認された。
• 厚さ $ t_{\text{W}} < 10 $ nm で $ t^{-1} $ の抵抗率傾向から逸脱したことは、高抵抗性の $ \beta $-W と低抵抗性の $ \beta $-W の混合を示しており、厚さが減少した際に相転移が発生していることを確認した。