[論文レビュー] Review and Analysis of Measurements of the Spin Hall Effect in Platinum

Luqiao Liu, R. A. Buhrman+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2011

Magnetic properties of thin films参考文献 30被引用数 73

ひとこと要約

本論文は白金におけるスピンホール効果の矛盾する実験測定値をレビューし、一致を図る。特に、銅層における電流シーティングの考慮不足により、スピンホール角が過小評価されていたことが同定された。スピン拡산長を1.4 ± 0.3 nmとして再評価することで、分散した結果を統合し、スピンホール電導度は(1.4–3.4) × 10⁵ [ħ/(2e)] (Ω·m)⁻¹、スピンホール角は0.05以上であると結論づけ、白金がスピントロニクス応用に強く適していることを確認した。

ABSTRACT

Several different experimental techniques have been used in efforts to measure the spin Hall conductivity and the spin Hall angle in Pt samples at room temperature, with results that disagree by more than a factor of 20, with spin Hall conductivities from 2.4 x 10^4 to 5.1 x 10^5 [hbar/(2e)] (Ohm-m)^-1 and spin Hall angles from 0.0037 to 0.08. We review this work, and analyze possible reasons for the discrepancies. We explain that the smallest values for the spin Hall angle that have been reported, based on measurements of lateral permalloy/copper/platinum devices, are incorrect because the original analyses did not properly take into account that copper layers in these devices will shunt charge current flowing through adjacent platinum wires, thereby greatly reducing the size of the spin-Hall-related signals. We suggest that differences between the results for the spin Hall angle found by other experimental techniques are primarily a consequence of different assumptions about the value of the spin diffusion length in Pt. We present a new measurement of the spin diffusion length in Pt within sputtered Pt/permalloy bilayer thin films at room temperature, finding 1.4 \pm 0.3 nm, a much smaller value than has generally been assumed previously. With this value for the spin diffusion length, the previously-discordant results can be brought into much better agreement, with the result that the spin Hall conductivities are (1.4 - 3.4) x 10^5 [hbar/(2e)] (Ohm-m)^-1 and the spin Hall angles are greater than 0.05. These values are sufficiently large that the spin Hall effect in Pt can be used to generate spin currents and spin transfer torques strong enough for efficient manipulation of magnetic moments in adjacent ferromagnetic layers.

研究の動機と目的

• 複数の実験的報告において、白金のスピンホール電導度およびスピンホール角の値に顕著な差が生じている理由を解明すること。
• 特に、横方向デバイスにおける銅層による電流シーティングを無視した分析手法の誤りを特定・是正すること。
• 室温におけるスパッタリング法で作製した白金/パルマロイ積層膜のスピン拡散長を再評価すること。これは信号解釈に影響を与える重要なパラメータである。
• 修正されたスピン拡散長を用いて一貫した物理モデルを適用することで、過去に不一致とされた実験結果を統合すること。
• 正確なスピンホール効果パラメータを基盤として、白金をスピントロニクス素子に応用するための信頼性ある定量的根拠を確立すること。

提案手法

• スピンホール磁気抵抗およびスピン蓄積検出を含む、さまざまな技術を用いて白金におけるスピンホール効果を測定した15件以上の実験的報告の体系的レビューと批判的分析。
• 銅層による電流シーティング効果を補正した横方向パルマロイ/銅/白金デバイスの再分析。この効果により、測定可能なスピンホール信号が抑制されていた。
• 修正されたスピン拡散長を組み込んだ拡張されたスピン拡散モデルを用い、スピンホール電導度およびスピンホール角を再計算。
• スピンホール幾何構造を変更した手法を用い、スパッタリング法で作製した白金/パルマロイ積層膜におけるスピン拡散長を直接測定。層厚さの関数としての電圧信号へのフィッティングを実施。
• 複数のデバイス構造を用いた理論的予測と実験データの比較により、修正されたパラメータの妥当性を検証。
• 誤差伝搬および不確実性解析を適用し、最終的なスピンホールパラメータの信頼区間を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ実験条件のもとで、白金におけるスピンホール角の測定値が20倍以上もばらつくのはなぜか？
• RQ2 横方向スピントロニクスデバイスに銅層が存在する場合、測定されるスピンホール信号にどのような影響を与えるのか。また、なぜ従来の分析はこれを無視していたのか？
• RQ3 室温におけるスパッタリング法で作製した白金の真のスピン拡散長は何か。また、この値はスピンホール効果測定の解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ4 修正されたスピン拡散長を用いた一貫した物理モデルを適用することで、過去に一貫性のなかったスピンホール電導度およびスピンホール角の測定結果を統合できるか？
• RQ5 修正されたスピンホールパラメータは、白金をスピントロニクス素子に実用的に応用する上で、どのような意味を持つのか？

主な発見

• 室温におけるスパッタリング法で作製した白金/パルマロイ積層膜のスピン拡散長は1.4 ± 0.3 nmであり、従来の仮定値よりも顕著に小さい。
• 銅/白金ベースの横方向デバイスで報告された最小のスピンホール角（例：約0.0037）は、銅層による電流シーティングを考慮していないため誤りである。
• 修正されたスピン拡散長を用いることで、白金におけるスピンホール電導度は(1.4–3.4) × 10⁵ [ħ/(2e)] (Ω·m)⁻¹に再評価された。
• 修正されたスピンホール角は0.05以上であり、白金が効率的なスピン電流生成に適した強いスピンホール効果を示していることを示している。
• 修正されたパラメータを用いることで、異なる測定技術およびデバイス幾何構造で得られた過去の不一致した実験結果が統合された。
• 研究結果は、白金が磁性体層に十分なスピン電流およびスピン転送トルクを生成できることを確認した。