[論文レビュー] Strain-induced large topological Hall effect in Pt/YIG bilayers

Qian Liu, Kangkang Meng+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2018

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、Pt/YIG二重膜をSGGG基板上に成長させた系で、YIG/SGGG界面における界面格子ひずみによって誘発される大きなトポロジカルホール効果（THE）を実証した。ひずみは磁気テクスチャーを変化させ、GGGベースの異種積層構造とは異なる強化されたトポロジカルホール信号を引き起こし、スピントロニクス応用を想定した磁性絶縁体の電磁特性を調整するためのひずみ工学が強力なツールであることを示している。

ABSTRACT

Large topological Hall effect (THE) has been investigated for Pt/Y3Fe5O12 (YIG) bilayers grown on (Gd2.6Ca0.4)(Ga4.1Mg0.25Zr0.65)O12 (SGGG) substrate, which is ascribed to lattice strain at the YIG/SGGG interfaces. The topological portion of the Hall signal has been extracted in the temperature range from 150 K to 350 K. The results were compared with those in Pt/YIG/Gd3Ga5O12 (GGG) multilayers, from which we confirmed that the THE signals in the SGGG substrate are obvious different from those in the GGG substrate derived from magnetic frustration at the Pt/YIG surface. The present work not only demonstrate that the strain control can effectively tune the electromagnetic properties of magnetic insulators (MI) but also open up the exploration of THE for fundamental physics and magnetic storage technologies based on MI.

研究の動機と目的

• Pt/YIG二重膜をSGGG基板上に成長させた系における大型トポロジカルホール効果（THE）の起源を調査すること。
• 界面格子ひずみが磁気テクスチャーおよび電磁応答をどのように変化させるかを特定すること。
• SGGGおよびGGGベースのYIG異種積層構造におけるTHE応答を比較し、ひずみ誘発効果を分離すること。
• 今後のスピントロニクス技術に向けた磁性絶縁体のトポロジカル特性をひずみ工学でどのように調整できるかを検討すること。

提案手法

• エピタキシャルPt/YIG二重膜を、(Gd2.6Ca0.4)(Ga4.1Mg0.25Zr0.65)O12（SGGG）基板上に成長させ、YIG/SGGG界面に格子ひずみを誘発した。
• 150 K から 350 K の温度範囲で、全ホール抵抗からトポロジカルホール信号を抽出した。
• 基板由来のひずみの影響を分離するために、Pt/YIG/Gd3Ga5O12（GGG）多層膜に対しても比較測定を実施した。
• Pt/YIG界面における磁気フラストレーションを、SGGGベース異種積層構造で強化されたTHEの原因の一つとして分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/YIG二重膜をSGGG基板上に成長させた系で観測された大型トポロジカルホール効果の起源は何か？
• RQ2 YIG/SGGG界面における格子ひずみが磁気テクスチャーおよびトポロジカルホール応答にどのように影響を与えるか？
• RQ3 SGGGベースの異種積層構造におけるTHEは、GGGベースのYIG多層膜とはどのように異なるか？
• RQ4 ひずみ工学を用いることで、磁性絶縁体のトポロジカル電磁特性をどの程度まで調整できるか？

主な発見

• Pt/YIG/SGGG異種積層構造における大型トポロジカルホール効果は、主にYIG/SGGG界面における格子ひずみに起因する。
• トポロジカルホール信号は150 K から 350 K の全温度範囲で一貫して観測され、この効果の頑健性を示している。
• SGGGベースの試料におけるTHEは、GGGベースの多層膜とは顕著に異なり、Pt/YIG界面における磁気フラストレーションに起因する別個の起源を示している。
• 結果から、ひずみ制御が磁性絶縁体の電磁特性を調整する有効なメカニズムであることが確認された。