[論文レビュー] Spin-current injection and detection in strongly correlated organic conductor

Zhiyong Qiu, Mikio Uruichi+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2015

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、YIG膜からのスピンポンプを介して強相関有機半導体κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Brへのスピン電流注入と検出を実証し、80 K近辺で強化されたスピンおよび/または格子揺らぎにより、逆スピンホール効果（ISHE）が顕著に抑制されることを観測した。この抑制は抵抗の変化とは無関係であり、磁性転移またはガラス転移に近接する領域における電子相関の強い影響を示している。

ABSTRACT

Spin-current injection into an organic semiconductor $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$ film induced by the spin pumping from an yttrium iron garnet (YIG) film. When magnetization dynamics in the YIG film is excited by ferromagnetic or spin-wave resonance, a voltage signal was found to appear in the $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$ film. Magnetic-field-angle dependence measurements indicate that the voltage signal is governed by the inverse spin Hall effect in $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$. We found that the voltage signal in the $ m{κ ext{-}(BEDT ext{-}TTF)_2Cu[N(CN)_2]Br}$/YIG system is critically suppressed around 80 K, around which magnetic and/or glass transitions occur, implying that the efficiency of the spin-current injection is suppressed by fluctuations which critically enhanced near the transitions.

研究の動機と目的

• YIG膜からのスピンポンプを用いた強相関有機半導体におけるスピン電流注入および検出の調査。
• κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br（κ-Br）における逆スピンホール効果（ISHE）がスピン-電荷変換メカニズムとして存在することの確認。
• κ-Brにおけるスピン電流変換効率の温度依存性、特に異常が観測される80 K近辺の理解。
• ISHE電圧の抑制が、スピンホール角の変化か、YIG/κ-Br界面におけるスピン電流注入効率の低下によるものかの特定。

提案手法

• 5 GHzでフェロ磁性共鳴またはスピン波共鳴を用いてYIG膜にスピンポンプを励起し、YIG上に蒸着されたκ-Br膜にスピン電流を注入。
• 5 µmのYIG膜をGGG基板上に形成したバイレイヤー構造のデバイスを製作し、直接金属接触へのスピン注入を防ぐために20 nmのSiO2膜をCu電極と分離した。
• 静磁場および温度を変化させた条件下で、Cu電極間の電圧信号を測定し、磁場の角度依存性を用いてISHEの起源を確認。
• 磁場反転時に電圧の符号反転を観測し、抵抗変動を補正するための抵抗正規化電圧（V*/R）を測定することで、逆スピンホール効果を確認。
• 抵抗および電圧の温度依存性を80 Kから4 Kまで測定し、80 K近辺での異常な抑制の原因を特定。
• 理論的分析では、スピン軌道結合（内因性）および不純物散乱（外因性）によるスピンホール角の寄与を検討し、散乱の温度依存性が抑制の原因でないことを除外。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YIG膜からスピン電流が注入された際、強相関有機半導体κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Brに逆スピンホール効果（ISHE）が生じるか？
• RQ2 薄膜抵抗の顕著な変化がないにもかかわらず、κ-BrにおけるISHE電圧信号が80 Kで著しく抑制される理由は何か？
• RQ3 この抑制は、スピンホール角の低下か、YIG/κ-Br界面におけるスピン電流注入効率の低下によるものか？
• RQ4 80 K近辺でのスピンおよび格子揺らぎが、この有機系におけるスピン-電荷変換効率にどのように影響するか？
• RQ5 観測された抑制は、κ-Brにおける磁性転移またはガラス転移と関連しているか？また、これにより強相関有機材料におけるスピン輸送にどのような示唆が得られるか？

主な発見

• YIG層におけるフェロ磁性共鳴励起時に、κ-Br膜に明確な電圧信号が観測され、磁場反転時に符号反転が確認され、逆スピンホール効果（ISHE）の存在が裏付けられた。
• 80 K近辺でISHE電圧信号は90%以上抑制され、この温度以下ではノイズに埋もれ込むほどに低下したが、薄膜抵抗に顕著な変化は認められなかった。
• 電圧信号の抑制はκ-Br/YIG系に内在するものであり、外部的熱電効果や抵抗変動とは無関係であることが、抵抗正規化（V*/R）により確認された。
• 電圧信号の温度依存性は、不純物散乱の予想される温度依存性と一致せず、外因性スピンホール角の変化が抑制の原因でないことが除外された。
• この抑制は、κ-Brに既知の磁性転移またはガラス転移と一致しており、80 K近辺でのスピンおよび/または格子揺らぎが界面におけるスピン電流注入効率を顕著に低下させることを示唆している。
• 結果から、強相関有機導体における電子相関および揺らぎが、相転移付近でのスピン輸送に顕著に影響を与え、スピン-電荷変換効率を制限することが明らかになった。