[论文解读] Anatomy of Dzyaloshinskii-Moriya Interaction at Co/Pt Interfaces

Hongxin Yang, A. Thiaville+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2015

Nanoporous metals and alloys被引用 56

一句话总结

本研究通过第一性原理计算揭示，Co/Pt双异质结中的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）主要局域于Co/Pt界面，由Pt层的自旋-轨道耦合驱动。研究未发现DMI与Pt中近邻诱导磁性之间存在直接关联，明确了DMI的微观起源，为设计基于磁性斯kyrmion和畴壁的自旋电子学器件提供了依据。

ABSTRACT

The Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI) between spins is induced by spin-orbit coupling in magnetic materials lacking inversion symmetry. DMI is recognized to play a crucial role at the interface between ferromagnetic (FM) and heavy nonmagnetic (NM) metals to create topological textures called magnetic skyrmions which are very attractive for ultra-dense information storage and spintronic devices. DMI also plays an essential role for fast domain wall (DW) dynamics driven by spin-orbit torques. Here, we present first principles calculations which clarify the main features and microscopic mechanisms of DMI in Co/Pt bilayers. DMI is found to be predominantly located at the interfacial Co layer, originating from spin-orbit energy provided by the adjacent NM layer. Furthermore, no direct correlation is found between DMI and proximity induced magnetism in Pt. These results clarify underlying mechanisms of DMI at FM/NM bilayers and should help optimizing material combinations for skyrmion- and DW-based storage and memory devices.

研究动机与目标

• 理解Co/Pt双异质结中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的微观起源。
• 阐明自旋-轨道耦合与界面非对称性在生成DMI中的作用。
• 探究Pt中近邻诱导磁性是否对DMI有贡献。
• 识别DMI的空间局域化特征及其主导机制，以优化自旋电子学器件。
• 为在FM/NM异质结中工程化DMI提供理论基础。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得电子结构和自旋相互作用。
• 从DFT计算得到的自旋螺旋态和自旋-轨道耦合项中提取DMI矢量。
• 通过空间分解方法识别各原子层对DMI的贡献。
• 通过分析轨道和自旋分辨贡献，分离出Pt层自旋-轨道耦合的作用。
• 利用自旋和轨道磁矩分析评估Pt中的近邻磁性，以检验其与DMI的相关性。
• 通过与Co/Pt体系中实验观测的DMI结果对比，验证了研究结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 DMI在Co/Pt双异质结中的空间起源是什么——具体而言，哪些原子层对DMI矢量贡献最大？
• RQ2 Pt层的自旋-轨道耦合如何贡献于DMI能量？
• RQ3 Pt中近邻诱导磁性与DMI强度之间是否存在直接相关性？
• RQ4 界面反演对称性破缺在DMI产生中的作用是什么？
• RQ5 如何通过材料设计在FM/NM异质结中调控DMI强度？

主要发现

• Co/Pt双异质结中的DMI主要局域于界面处的Co原子层，而非体相Pt或Co层。
• DMI的主要来源是Pt层的自旋-轨道耦合，其在界面处破坏了反演对称性。
• 未发现DMI强度与Pt中近邻诱导磁矩之间存在直接关联。
• DMI源于界面自旋-轨道耦合，而非由Pt层中的诱导磁性驱动。
• DMI矢量强烈依赖于Co/Pt界面处的轨道和自旋态分布，与DFT预测一致。
• 这些发现提供了一个清晰的设计原则：此类体系中的DMI由界面自旋-轨道耦合主导，而非由诱导磁性决定。