[论文解读] Oxide spin-orbitronics: spin-charge interconversion and topological spin textures

Felix Trier, Paul Noël+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 214被引用 5

一句话总结

本文综述了氧化物自旋轨道电子学，重点讨论在SrTiO3基二维电子气、钌基和铱基氧化物等氧化物体系中，通过自旋霍尔效应和爱德温斯坦效应实现的自旋-电荷转换，以及对拓扑自旋拓扑结构（如自旋螺旋）的电控。主要成果包括在SrTiO3基二维电子气中实现巨大的自旋-电荷转换效率，以及通过铁电性控制自旋螺旋，为低功耗、非易失性自旋电子器件提供了可能。

ABSTRACT

Quantum oxide materials possess a vast range of properties stemming from the interplay between the lattice, charge, spin and orbital degrees of freedom, in which electron correlations often play an important role. Historically, the spin-orbit coupling was rarely a dominant energy scale in oxides. It however recently came to the forefront, unleashing various exotic phenomena connected with real and reciprocal-space topology that may be harnessed in spintronics. In this article, we review the recent advances in the new field of oxide spin-orbitronics with a special focus on spin-charge interconversion from the direct and inverse spin Hall and Edelstein effects, and on the generation and observation of topological spin textures such as skyrmions. We highlight the control of spin-orbit-driven effects by ferroelectricity and give perspectives for the field.

研究动机与目标

• 综述氧化物自旋轨道电子学的最新进展，重点强调自旋-电荷转换和拓扑自旋拓扑结构。
• 探讨自旋-轨道耦合在氧化物中的作用，特别是非对称中心和异质结构体系中的作用。
• 研究通过氧化物异质结构中的铁电性对自旋-电荷转换和自旋螺旋形成进行调控。
• 识别室温下多功能氧化物基自旋电子器件的开放挑战与未来方向。

提出的方法

• 利用直接和逆向自旋霍尔效应及爱德温斯坦效应，研究SrTiO3基二维电子气中的自旋-电荷转换。
• 采用外延氧化物异质结构（如SrRuO3/SrIrO3、SrTiO3/BaTiO3）来调控自旋-轨道耦合和界面效应。
• 使用电栅极和铁电背栅技术调节自旋-电荷转换和拓扑霍尔效应。
• 利用磁阻测量、磁力显微镜（MFM）和霍尔效应表征技术检测自旋螺旋和自旋拓扑结构。
• 应用理论模型解释Rashba能带分裂、Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）和拓扑霍尔信号。
• 分析双线性磁阻作为电荷-自旋转换和Rashba系数估算的探针。

实验结果

研究问题

• RQ1 在氧化物二维电子气中，特别是SrTiO3基体系中，自旋-电荷转换的效率如何？
• RQ2 是否可以利用铁电性对氧化物中的自旋-电荷转换和拓扑自旋拓扑结构实现电控？
• RQ3 自旋-轨道耦合和界面工程在氧化物异质结构中生成和稳定自旋螺旋的作用是什么？
• RQ4 氧化物二维电子气的输运特性如何反映其内在的自旋拓扑结构和拓扑序？
• RQ5 是否可以利用基于氧化物的异质结构在室温下稳定和控制拓扑自旋拓扑结构？

主要发现

• 在SrTiO3基二维电子气中实现了巨大的自旋-电荷转换效率，可观测到自旋霍尔效应和爱德温斯坦效应。
• 在SrTiO3基二维电子气中实现了铁电性对自旋-电荷转换的控制，实现了栅压可调的自旋输运特性。
• 在超薄氧化物异质结构中观测到磁性自旋螺旋并实现电控，包括SrRuO3/SrIrO3双异质结。
• 在多铁氧化物异质结构中，室温下稳定了自旋螺旋前驱态，表明其具备室温工作的潜力。
• 在SrRuO3/BaTiO3异质结构中，铁电背栅实现了对拓扑霍尔效应的电控，该效应与自旋螺旋的存在直接相关。
• 双线性磁阻被识别为一种有前景的工具，可用于定量探测氧化物二维电子气中的Rashba自旋分裂和电荷-自旋转换。