[论文解读] Giant spin Hall magnetoresistance in metallic bilayers

Junyeon Kim, Sheng Peng+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Magnetic properties of thin films参考文献 37被引用 3

一句话总结

本研究报道了在钨/CoFeB金属双异质结中实现了巨大的自旋霍尔磁阻效应（SMR），其数值相较以往的重金属/磁性绝缘体体系提升了近十倍。该效应源于界面处通过自旋霍尔效应产生的自旋流，显著调制了横向电阻，表明SMR可作为金属异质结中自旋流动力学的有力探测工具。

ABSTRACT

The spin Hall effect in heavy metals generates spin current that enables control of magnetization of an nearby magnetic layer. Conversely, such flow of spin current can influence the transport properties of the system itself. For example, the resistance of a Pt layer attached to a magnetic insulator changes as the direction of the magnetization is changed. Such effect, now commonly referred to as the spin Hall magnetoresistance (SMR), has been reported to be, however, order of magnitude smaller than the conventional anisotropic magnetoresistance in magnetic materials. Here we report giant spin Hall magnetoresistance in a metallic bilayer system. We find nearly a ten-fold increase of SMR in W/CoFeB compared to the previously studied heavy metal/magnetic insulator systems. The large SMR accounts for the unconventionally large transverse magnetoresistance found in this system, manifesting the profound effect of spin current generated via the spin Hall effect on the electrical transport properties. We show that the SMR is defined at the heavy metal/magnetic layer interface even for metallic heterostructures in which current flows into the magnetic layer. These results demonstrate that SMR can be used as a powerful tool to evaluate the flow and accumulation of spin current in metallic heterostructures.

研究动机与目标

• 研究金属双异质结体系中自旋霍尔磁阻（SMR）的大小及其起源。
• 理解为何在W/CoFeB体系中SMR相较于传统的重金属/磁性绝缘体异质结显著增强。
• 证明SMR可作为金属异质结中自旋流与积累的定量探测手段。
• 阐明重金属/磁性层界面在产生可观测SMR效应中的作用。

提出的方法

• 在不同磁化方向下测量W/CoFeB双异质结结构的横向磁阻。
• 使用钨（W）作为重金属以诱导强自旋霍尔效应并生成自旋流。
• 将金属CoFeB层的SMR响应与先前研究的重金属/磁性绝缘体体系进行比较。
• 分析尽管电流流入磁性层，界面仍主导SMR贡献的机制。
• 系统性地改变磁化方向，以将自旋霍尔磁阻效应与其它各向异性输运贡献分离。
• 通过电阻调制评估界面处自旋流的积累。

实验结果

研究问题

• RQ1 W/CoFeB金属双异质结中的自旋霍尔磁阻与先前体系相比有多大？
• RQ2 自旋霍尔效应如何影响具有铁磁层的金属异质结中的电输运？
• RQ3 SMR效应在金属体系中在多大程度上局域于重金属/磁性层界面？
• RQ4 为何该体系的横向磁阻显著大于传统机制的预期值？
• RQ5 SMR能否作为金属异质结中自旋流与积累的可靠探测工具？

主要发现

• W/CoFeB双异质结中的自旋霍尔磁阻比先前研究的重金属/磁性绝缘体体系高出近十倍。
• 巨大的SMR源于W/CoFeB界面处通过自旋霍尔效应产生的自旋流。
• 即使电流流入磁性层，SMR仍持续存在，表明该效应具有界面起源。
• 观测到的横向磁阻主要归因于SMR效应，而非传统的各向异性磁阻。
• SMR定义于重金属/磁性层界面，证实其作为自旋流动力学敏感探测器的作用。
• 结果确立SMR作为评估金属自旋电子异质结中自旋流与积累的有力工具。