[论文解读] Anisotropic spin-orbit torque generation in epitaxial SrIrO3 by symmetry design

Tianxiang Nan, Anderson, T. J.+14 more|PubMed Central|Aug 20, 2018

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 9

一句话总结

本研究通过外延应变调控晶体对称性，在外延SrIrO3薄膜中实现了室温下高度高效的各向异性自旋-轨道力矩。通过调节正交相SrIrO3中顶角共用氧八面体的倾斜，研究人员利用与对称性相关的自旋-轨道耦合调控自旋-Hall力矩比，由于电子能带结构中工程化的贝里曲率，实现了强各向异性的自旋-电荷转换。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC), the interaction between the electron spin and the orbital angular momentum, can unlock rich phenomena at interfaces, in particular interconverting spin and charge currents. Conventional heavy metals have been extensively explored due to their strong SOC of conduction electrons. However, spin-orbit effects in classes of materials such as epitaxial 5d-electron transition metal complex oxides, which also host strong SOC, remain largely unreported. In addition to strong SOC, these complex oxides can also provide the additional tuning knob of epitaxy to control the electronic structure and the engineering of spin-to-charge conversion by crystalline symmetry. Here, we demonstrate room-temperature generation of spin-orbit torque on a ferromagnet with extremely high efficiency via the spin-Hall effect in epitaxial metastable perovskite SrIrO3. We first predict a large intrinsic spin-Hall conductivity in orthorhombic bulk SrIrO3 arising from the Berry curvature in the electronic band structure. By manipulating the intricate interplay between SOC and crystalline symmetry, we control the spin-Hall torque ratio by engineering the tilt of the corner-sharing oxygen octahedra in perovskite SrIrO3 through epitaxial strain. This allows the presence of an anisotropic spin-Hall effect due to a characteristic structural anisotropy in SrIrO3 with orthorhombic symmetry. Our experimental findings demonstrate the heteroepitaxial symmetry design approach to engineer spin-orbit effects. We therefore anticipate that these epitaxial 5d transition-metal oxide thin films can be an ideal building block for low-power spintronics.

研究动机与目标

• 探索外延5d过渡金属氧化物薄膜（特别是具有强自旋-轨道耦合的SrIrO3）中的自旋-轨道力矩生成机制。
• 解决尽管复杂氧化物具有强自旋-轨道耦合和可调电子结构，但其自旋-轨道效应报道甚少的问题。
• 证明外延应变可作为调控结晶对称性的控制旋钮，从而实现自旋-Hall力矩各向异性的工程化。
• 建立一种对称性设计方法，用于调控氧化物异质结构中的自旋-轨道效应，以实现低功耗自旋电子学应用。

提出的方法

• 基于电子能带结构中的贝里曲率，理论预测正交相块体SrIrO3具有大的本征自旋-Hall电导率。
• 在晶格匹配的基底上外延生长亚稳态钙钛矿结构SrIrO3薄膜，以引入应变并控制氧八面体倾斜。
• 利用外延应变调控结晶对称性，从而调节自旋-轨道耦合的各向异性。
• 在包含铁磁层的异质结构中实验测量自旋-轨道力矩，以量化力矩效率和各向异性。
• 分析自旋-轨道耦合与结构各向异性之间的相互作用，以解释观测到的力矩各向异性。
• 将理论预测与实验结果进行对比，验证对称性在调制自旋-Hall效应中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SrIrO3中通过外延应变工程是否能通过控制氧八面体倾斜诱导出可测量的自旋-轨道力矩各向异性？
• RQ2 正交相SrIrO3的结晶对称性如何影响自旋-Hall电导率和力矩效率？
• RQ3 通过对称性设计，5d过渡金属氧化物中的本征自旋-Hall电导率能在多大程度上被增强和调控？
• RQ4 SrIrO3电子能带结构中的贝里曲率在实现强自旋-轨道力矩中起什么作用？
• RQ5 外延SrIrO3能否作为室温下低功耗自旋电子学器件的高效自旋-轨道力矩源？

主要发现

• 理论计算预测，由于其电子能带结构中强贝里曲率，正交相SrIrO3具有大的本征自旋-Hall电导率。
• 外延应变成功诱导了顶角共用氧八面体的可控倾斜，改变了结晶对称性及自旋-轨道耦合的各向异性。
• 实验上观测到显著的自旋-Hall力矩各向异性，且力矩效率可通过应变诱导的对称性破缺进行调节。
• 自旋-Hall力矩比随晶体学取向变化，证实了自旋-轨道响应中存在结构各向异性。
• 实现了高效室温自旋-轨道力矩生成，证明了外延SrIrO3在自旋电子学应用中的可行性。
• 本研究建立了一种对称性设计策略，用于在复杂氧化物中工程化自旋-轨道效应，为氧化物基自旋电子学开辟了新途径。