[论文解读] Interface spin polarization of the Heusler compound Co2MnSi probed by unidirectional spin Hall magnetoresistance

Christian Lidig, Cramer, J.+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2018

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 39被引用 7

一句话总结

本研究采用惠斯通电桥结构中的单向自旋霍尔磁阻效应（USMR），探测Co₂MnSi/Pt多层膜界面的自旋极化，结果表明，0.5 nm外延Ag界面层使自旋依赖的USMR提高一倍，表明输运自旋极化显著增强。结果揭示，Ag可保持高度自旋极化的界面态，而Cr和Cu则不能，从而提供一种与器件无关的方法，用于优化基于Heusler化合物的自旋电子学界面。

ABSTRACT

Many Heusler compounds are predicted to be ferromagnetic half metals in the bulk, which makes them promising compounds for spintronics. However, for devices the transport spin polarization at specific interfaces requires optimization. We show that investigations of the unidirectional magnetoresistance provide an alternative approach to access this quantity. Based on a Wheatstone-bridge design we probed the unidirectional magnetoresistance of Co2MnSi/(Ag, Cu, or Cr)(0.5 nm)/Pt (or Ta) multilayers and separate the spin-dependent unidirectional spin Hall magnetoresistance from other contributions. We demonstrated that by the insertion of a thin epitaxial Ag layer the spin-dependent contribution is doubled corresponding to a significant increase of the transport spin polarization, which is discussed in the framework of highly spin polarized interface states.

研究动机与目标

• 开发一种与器件无关的方法，利用单向自旋霍尔磁阻效应（USMR）量化Heusler化合物界面处的输运自旋极化。
• 研究不同界面金属（Ag、Cu、Cr）对Co₂MnSi/Pt异质结构中自旋极化的影响。
• 将USMR测量结果与先前关于界面电子态的光电子能谱数据进行关联。
• 识别出用于增强基于Heusler化合物的自旋电子学器件中平面内电流巨磁阻（CIP-GMR）的最优界面工程策略。

提出的方法

• 采用惠斯通电桥几何结构测量Co₂MnSi(001)/(Ag, Cu, Cr)(0.5 nm)/Pt多层膜中的单向磁阻（UMR）。
• 将UMR定义为UMR(j) = [ρ_xx(j^HM) - ρ_xx(-j^HM)] / [½(ρ_xx(j^HM) + ρ_xx(-j^HM))], 以分离出自旋依赖的贡献。
• 聚焦于厚度约7 nm的Co₂MnSi层，此时自旋依赖的USMR主导于热效应和普通磁阻效应。
• 使用外延Ag(001)、多晶Cu和外延Cr(001)作为界面层，以调节界面电子结构。
• 通过电流方向和磁场循环，将自旋依赖的USMR与背景效应（如异常能斯特效应、各向异性磁阻、自旋霍尔磁阻）区分开。
• 将USMR的大小与先前HAXPES数据进行关联，后者显示Co₂MnSi/Ag体系中存在靠近费米能级的显著自旋极化界面态。

实验结果

研究问题

• RQ1 插入0.5 nm界面层（Ag、Cu、Cr）如何影响Co₂MnSi/Pt界面处的输运自旋极化？
• RQ2 单向自旋霍尔磁阻效应（USMR）能否作为半金属Heusler化合物界面自旋极化的可靠、与器件无关的探测手段？
• RQ3 为何Co₂MnSi/Ag/Pt体系中的USMR信号强于Co₂MnSi/Cr/Pt或Co₂MnSi/Cu/Pt体系？
• RQ4 先前通过HAXPES观测到的界面电子态——特别是自旋极化态——与自旋依赖USMR的大小在多大程度上相关？
• RQ5 在薄膜异质结构中，能否将USMR信号与异常能斯特效应和各向异性磁阻等竞争效应有效分离？

主要发现

• 在Co₂MnSi/Pt双异质结中，插入0.5 nm外延Ag(001)界面层后，自旋依赖的USMR提高一倍，表明输运自旋极化显著增强。
• 当使用外延Cr(001)界面层时，USMR保持不变，表明Cr无法保持或增强自旋极化的界面态。
• 使用多晶Cu作为0.5 nm界面层可提高USMR，但增强程度低于Ag，表明自旋极化部分保留。
• Ag引入后USMR的增强与HAXPES数据高度相关，后者显示Co₂MnSi/Ag体系中存在靠近费米能级的显著自旋极化界面态。
• 在厚度约为7 nm的Co₂MnSi层中，USMR信号显著强于热效应和普通磁阻效应，从而可可靠提取自旋极化度。
• 结果表明，Co₂MnSi/Ag/Pt异质结可能实现较大的平面内电流巨磁阻（CIP-GMR）值，类似于此前报道的类似体系中高垂直电流巨磁阻（CPP-GMR）性能。