[论文解读] Electric-field modification of interfacial spin-orbit field-vector

Liangyi Chen, Martin Gmitra+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究通过栅压调制界面自旋-轨道相互作用，在Fe/GaAs(001)异质结构中实现了对界面自旋-轨道场（iSOFs）的电场调控。通过在肖特基势垒上施加栅压，研究人员实现了对iSOF矢量大小的稳健、可逆调节，从而实现低功耗动态控制自旋-轨道力矩——这对低功耗自旋电子器件至关重要。

ABSTRACT

Current induced spin-orbit magnetic fields (iSOFs), arising either in single-crystalline ferromagnets with broken inversion symmetry1,2 or in non-magnetic metal/ferromagnetic metal bilayers3,4, can produce spin-orbit torques which act on a ferromagnet's magnetization,thus offering an efficient way for its manipulation.To further reduce power consumption in spin-orbit torque devices, it is highly desirable to control iSOFs by the field-effect, where power consumption is determined by charging/discharging a capacitor5,6. In particular, efficient electric-field control of iSOFs acting on ferromagnetic metals is of vital importance for practical applications. It is known that in single crystalline Fe/GaAs (001) heterostructures with C2v symmetry, interfacial SOFs emerge at the Fe/GaAs (001) interface due to the lack of inversion symmetry7,8. Here, we show that by applying a gate-voltage across the Fe/GaAs interface, interfacial SOFs acting on Fe can be robustly modulated via the change of the magnitude of the interfacial spin-orbit interaction. Our results show that, for the first time, the electric-field in a Schottky barrier is capable of modifying SOFs, which can be exploited for the development of low-power-consumption spin-orbit torque devices.

研究动机与目标

• 在铁磁异质结构中实现界面自旋-轨道场（iSOFs）的电场调控，以实现低功耗自旋电子应用。
• 研究栅压是否能够调制肖特基势垒结构中界面自旋-轨道相互作用的强度。
• 在非磁/铁磁双层体系中，通过场效应实现自旋-轨道力矩的动态、可逆调节。
• 建立一种通过电容式栅控而非电流注入来实现磁化能效调控的路径。

提出的方法

• 在Fe/GaAs(001)异质结构上施加栅压以形成肖特基势垒，从而实现对界面电子态的电场调控。
• 利用自旋-轨道力矩测量技术探测由界面自旋-轨道耦合产生的等效磁场。
• 采用顶栅结构，通过静电掺杂调节界面自旋-轨道相互作用的强度。
• 测量场矢量的大小和方向随栅压的变化，以评估其可调性。
• 分析C2v对称性Fe/GaAs(001)界面中受对称性保护的自旋-轨道耦合。
• 采用电容式栅结构，实现低功耗、无耗散的自旋-轨道场调控。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在铁磁异质结构中通过电场调节界面自旋-轨道场的大小？
• RQ2 在肖特基势垒结构中，自旋-轨道场的电场调控是否可行？
• RQ3 栅压调制是否改变Fe/GaAs(001)中界面自旋-轨道相互作用的强度？
• RQ4 这种场效应方法能否实现能效高、无耗散的磁化调控？
• RQ5 在栅压作用下，自旋-轨道场矢量的可调性和可逆性程度如何？

主要发现

• 在Fe/GaAs(001)中，通过在肖特基势垒上施加栅压，界面自旋-轨道场（iSOF）的大小得到了稳健调制。
• 电场诱导了界面自旋-轨道相互作用强度的可测量变化，直接改变了作用于Fe层的等效磁场。
• 该调制具有可逆性和可重复性，表明自旋-轨道耦合实现了稳定的静电控制。
• 观察到的调制效应归因于栅压引起的界面电子密度变化，从而改变了自旋-轨道耦合强度。
• 这是首次通过肖特基势垒中的场效应在铁磁金属中实现对iSOFs的电场调控，实现了低功耗运行。
• 结果证实，自旋-轨道力矩可在无需电流注入的情况下实现动态调控，从而降低功耗。