[论文解读] First-principles calculation of the spin-Hall and inverse spin-Hall effects: interface versus bulk contributions

Lei Wang, Rien J. H. Wesselink+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2015

Magnetic properties of thin films被引用 2

一句话总结

这项第一性原理研究调查了Pt|Py双异质结中的自旋霍尔效应与逆自旋霍尔效应，发现室温下界面贡献主导了逆自旋霍尔效应，其界面自旋霍尔角巨大，远超体相贡献。该研究采用散射方法将自旋电流生成分解为体相与界面项，表明自旋霍尔角随温度单调增加，且与体相Pt的电阻率成正比。

ABSTRACT

The spin Hall angle (SHA) is a measure of the efficiency with which a transverse spin current is generated from a charge current by the spin-orbit coupling and disorder in the spin Hall effect (SHE). In a study of the SHE for a Pt$|$Py (Py=Ni$_{80}$Fe$_{20}$) bilayer using a first-principles scattering approach, we find a SHA that increases monotonically with temperature and is proportional to the resistivity for bulk Pt. By decomposing the room temperature SHE and inverse SHE currents into bulk and interface terms, we discover a giant interface SHA that dominates the total inverse SHE current with potentially major consequences for applications.

研究动机与目标

• 理解体相与界面区域对Pt|Py异质结中自旋霍尔效应与逆自旋霍尔效应的相对贡献。
• 确定Pt基系统中自旋霍尔角的温度依赖性。
• 利用第一性原理方法量化自旋轨道耦合与无序对自旋电流生成效率的影响。
• 评估界面主导的自旋霍尔效应在提升自旋电子学器件性能方面的潜力。

提出的方法

• 采用第一性原理散射方法模拟Pt|Py双异质结中的电子输运。
• 利用散射理论将总自旋霍尔效应与逆自旋霍尔效应电流分解为体相与界面贡献。
• 计算自旋霍尔角随温度的变化以分析其演化行为。
• 将自旋霍尔角与体相Pt的电阻率关联，以评估其标度行为。
• 利用电子结构计算提取自旋轨道耦合与无序散射参数。
• 应用Kubo公式与线性响应理论，计算在电荷电流存在下的自旋电流响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Pt|Py双异质结中，体相与界面贡献在决定自旋霍尔角时如何比较？
• RQ2 Pt中自旋霍尔角的温度依赖性如何？其与电阻率有何关联？
• RQ3 界面贡献在逆自旋霍尔效应中是否可能显著超过体相贡献？
• RQ4 界面区域的自旋轨道耦合与无序在多大程度上增强了自旋电流的生成？

主要发现

• 在Pt|Py体系中，自旋霍尔角随温度单调增加。
• 体相Pt中的自旋霍尔角与电阻率成正比，表明无序与自旋霍尔效率之间存在直接关联。
• 界面在逆自旋霍尔效应中的贡献显著大于体相贡献，具有巨大的界面自旋霍尔角。
• 界面主导了总逆自旋霍尔电流，表明界面工程可能是优化自旋电子学器件的关键。
• 将自旋电流分解为体相与界面项的分析表明，界面自旋轨道耦合与散射在自旋电流生成中起主导作用。
• 结果表明，界面效应在设计高效自旋霍尔基器件时可能比体相性质更为关键。