[論文レビュー] Tilted spin current generated by the collinear antiferromagnet RuO2

Arnab Bose, Nathaniel J. Schreiber+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、反強磁性体RuO2が、ネールベクトルが試料面に対してねじれると、電場によって誘導されるスピン電流がネールベクトルに対して傾いていることにより、横方向で垂直方向の減衰型トルクを生成することを示している。この効果はスピン軌道結合を必要とせず、バンド構造におけるスピン分離に起因し、スピン軌道結合なしにスピン分離が生じる新しい反強磁性スピンホール効果を示しており、特徴的な対称性を持つ。

ABSTRACT

We report measurements demonstrating that when the Neel vector of the collinear antiferromagnet RuO2 is appropriately canted relative to the sample plane, the antiferromagnet generates a substantial out of plane damping-like torque. The measurements are in good accord with predictions that when an electric field, E is applied to the spin split band structure of RuO2 it can cause a strong transverse spin current even in the absence of spin-orbit coupling. This produces characteristic changes in all three components of the E induced torque vector as a function of the angle of E relative to the crystal axes, corresponding to a spin current with a well defined tilted spin orientation s approximately (but not exactly) parallel to the Neel vector, flowing perpendicular to both E and S. This angular dependence is the signature of an antiferromagnetic spin Hall effect with symmetries that are distinct from other mechanisms of spin-current generation reported in antiferromagnetic or ferromagnetic materials.

研究の動機と目的

• 外部電場を印加したときの偏りのある反強磁性体RuO2におけるスピン電流生成を調査すること。
• スピン軌道結合が存在しない状況でも、バンド構造におけるスピン分離が横方向スピン電流を生成できるかどうかを特定すること。
• RuO2における電場誘導トルクの角度依存性を測定し、特徴を明らかにすること。
• 観測されたスピン電流の対称性および起源が、従来のスピンホール効果とはどのように異なるかを特定すること。
• RuO2を、反強磁性材料における調整可能で非平行なスピン電流を生成する基盤として確立すること。

提案手法

• スピン軌道トルク磁気トンネル接合を用いて、薄膜RuO2異種接合における電場誘導トルクを測定する。
• 歪みと結晶方位の制御により、ネールベクトルの試料面に対する姿勢を制御する。
• 異なる結晶方位に沿って電場Eを印け、三次元的にトルク成分を測定する。
• トルクベクトルの角度依存性を解析し、スピン電流の方向とネールベクトル、Eとの関係を抽出する。
• スピン軌道結合のない状況におけるスピン分離バンド構造に基づく理論モデルと実験結果を比較する。
• 角度分解測定を用いて、スピン電流がネールベクトルに対して厳密に平行ではなく、傾いていることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合が存在しない状況でも、電場がRuO2で横方向スピン電流を生成できるか？
• RQ2 ネールベクトルの試料面に対する姿勢が、誘導されたトルクの方向および大きさにどのように影響するか？
• RQ3 電場の方向が結晶軸に対してどのように変化するかに応じて、トルクベクトル成分の角度依存性はどのように変化するか？
• RQ4 観測されたスピン電流が、バンド構造におけるスピン分離に起因するスピンホール効果と整合的か？
• RQ5 RuO2におけるスピン電流が、ネールベクトルに対して特徴的な傾きを示しており、従来のスピンホール効果とは明確に区別されるか？

主な発見

• ネールベクトルが試料面に対してねじれると、RuO2で垂直方向の減衰型トルクが生成され、横方向スピン電流の存在が確認された。
• トルクベクトルは電場方向に特徴的な角度依存性を示し、明確に傾いた方向を持つスピン電流が存在することが明らかになった。
• スピン電流はネールベクトルに対して概ね平行であるが、正確には平行ではなく、電場とスピン分離バンド構造の相互作用に起因する傾きが生じている。
• スピン軌道結合が存在しない状況でもこの効果が維持されることから、反強磁性体におけるスピン電流生成の新しいメカニズムが示された。
• トルク成分の角度依存性は、特異な対称性を持つ反強磁性スピンホール効果の理論予測と一致した。
• 本研究の結果は、偏位反強磁性体において頑健で調整可能なスピン電流が生成可能であることを示しており、反強磁性スピントロニクス素子の新たな道筋を示した。