[论文解读] Anomalous spin orbit torques with large Rashba spin orbit coupling in epitaxial Pt/Co bilayers

Ye Du, Shutaro Karube+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2018

Magnetic properties of thin films被引用 3

一句话总结

本研究证明，具有强Rashba自旋轨道耦合的外延Pt/Co双异质结表现出创纪录的逆爱德华斯坦长度（λ_IEE ≈ 几纳米），实现了场致自旋轨道力矩效率的十倍增强以及阻尼类力矩效率的两倍提升。结果通过一种新颖的漂移-扩散模型得到解释，该模型结合了Rashba-爱德华斯坦效应与体自旋霍尔效应，实现了自旋电子器件中自旋轨道力矩的精确调控。

ABSTRACT

The Rashba-Edelstein effect (REE), which characterizes the generation of a transverse spin polarization at interfaces with a longitudinal external electrical field, provides new opportunities to the efficient spin current generation and the manipulation of spin orbit torques (SOTs) in magnetic hetero-structures. Here in this work, we report an exceptionally large interfacial charge-to-spin conversion efficiency (i.e. the inverse Edelstein length Lamda_IEE of a few nanometers) in epitaxial (epi-) Pt/Co bilayers from a REE-induced magnetoresistance analysis using a new drift-diffusion model that incorporates both REE and bulk spin Hall effect. From the spin torque ferromagnetic resonance analysis, a tenfold enhancement in the field-like (FL) SOT efficiency is demonstrated compared to polycrystalline samples, showing quantitative consistency with the large Lamda_IEE. Additionally, a twofold increase in the damping-like (DL) SOT efficiency is observed in epi-samples, with Pt films having lower resistivity. Our study demonstrates that both DL- and FL-SOTs can be significantly modulated by the Rashba SO coupling with hetero-interface modification, providing new perspectives to the engineering of SOTs in spintronic devices.

研究动机与目标

• 研究界面Rashba自旋轨道耦合在增强磁性异质结中自旋轨道力矩效率方面的作用。
• 利用新型漂移-扩散模型量化外延Pt/Co双异质结中的界面电荷-自旋转换效率（λ_IEE）。
• 将Rashba-爱德华斯坦效应与可测量的自旋轨道力矩铁磁共振响应相关联。
• 通过外延体系中的异质界面调控，展示自旋轨道力矩的工程潜力。
• 比较外延与多晶Pt/Co样品在场致与阻尼类力矩效率方面的性能表现。

提出的方法

• 采用一种新型漂移-扩散模型，同时包含Rashba-爱德华斯坦效应（REE）与体自旋霍尔效应，以描述外延Pt/Co双异质结中的自旋输运行为。
• 在施加纵向电场的条件下进行磁阻测量，以提取逆爱德华斯坦长度（λ_IEE）。
• 通过自旋轨道力矩铁磁共振（ST-FMR）量化场致（FL）与阻尼类（DL）自旋轨道力矩效率。
• 使用具有高结构质量的外延Pt/Co异质结，以隔离界面自旋轨道效应，排除体相与晶界贡献的影响。
• 将外延Pt/Co样品的结果与多晶样品进行对比，以分离界面Rashba耦合的影响。
• 分析Pt薄膜的电阻率与结构特性，以关联电子输运行为与自旋轨道力矩效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有强Rashba自旋轨道耦合的外延Pt/Co双异质结中，界面电荷-自旋转换效率（λ_IEE）的量级是多少？
• RQ2 与多晶体系相比，Rashba-爱德华斯坦效应在增强外延体系中场致自旋轨道力矩效率方面起到何种作用？
• RQ3 通过界面工程与Rashba自旋轨道耦合，场致与阻尼类自旋轨道力矩的增强程度有多大？
• RQ4 从磁阻测量中提取的λ_IEE与通过ST-FMR测得的自旋轨道力矩效率之间是否存在定量一致性？
• RQ5 Pt薄膜的电阻率如何影响外延异质结中观测到的自旋轨道力矩增强效应？

主要发现

• 在外延Pt/Co双异质结中测得极高的逆爱德华斯坦长度（λ_IEE ≈ 几纳米），表明界面电荷-自旋转换效率极高。
• 与多晶样品相比，外延样品中场致（FL）自旋轨道力矩效率实现了十倍增强，与大的λ_IEE一致。
• 在外延Pt/Co结构中，即使Pt的电阻率较低，阻尼类（DL）自旋轨道力矩效率仍实现了两倍提升。
• 实验结果表明，从磁阻测量中提取的λ_IEE与从ST-FMR推导出的FL-SOT效率之间具有定量一致性，验证了新型漂移-扩散模型的可靠性。
• 场致与阻尼类自旋轨道力矩均因界面Rashba自旋轨道耦合而显著增强，证明其可通过异质结构设计实现可调谐。
• 本研究确立了外延生长可实现更强的界面自旋轨道耦合，从而在自旋轨道力矩性能上显著优于多晶体系。