[论文解读] Investigation of anomalous-Hall and spin-Hall effects of antiferromagnetic IrMn sandwiched by Pt and YIG layers

Tian Shang, Haolin Yang+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 35被引用 5

一句话总结

本研究探讨了Pt/IrMn/YIG异质结构中的反常霍尔效应（AHE）与自旋霍尔效应（SHE），表明IrMn作为自旋流导体，同时抑制了磁性邻近效应。反常霍尔效应显著增强——在3 nm的IrMn厚度下达到峰值——其源于IrMn中的本征自旋-轨道耦合与非共线自旋结构，且与IrMn的反铁磁有序无关。

ABSTRACT

We report an investigation of temperature and IrMn layered thickness dependence of anomalous-Hall resistance (AHR), anisotropic magnetoresistance (AMR), and magnetization on Pt/Ir20Mn80/Y3Fe5O12 (Pt/IrMn/YIG) heterostructures. The magnitude of AHR is dramatically enhanced compared with Pt/YIG bilayers. The enhancement is much more profound at higher temperatures and peaks at the IrMn thickness of 3 nm. The observed spin-Hall magnetoresistance (SMR) in the temperature range of 10-300 K indicates that the spin current generated in the Pt layer can penetrate the entire thickness of the IrMn layer to interact with the YIG layer. The lack of conventional anisotropic magnetoresistance (CAMR) implies that the insertion of the IrMn layer between Pt and YIG efficiently suppresses the magnetic proximity effect (MPE) on induced Pt moments by YIG. Our results suggest that the dual roles of the InMn insertion in Pt/IrMn/YIG heterostructures are to block the MPE and to transport the spin current between Pt and YIG layers. We discuss possible mechanisms for the enhanced AHR.

研究动机与目标

• 研究Pt/IrMn/YIG异质结构中的反常霍尔电阻（AHR）与自旋霍尔磁阻（SMR）。
• 确定IrMn厚度与温度对AHR与SMR的调制作用。
• 澄清增强的AHR是否源于IrMn的本征性质、界面效应或自旋霍尔机制。
• 评估IrMn的反铁磁序对自旋输运与AHE的影响。
• 评估IrMn作为Pt与YIG层之间自旋流中介的有效性。

提出的方法

• 制备了IrMn厚度可调（1–5 nm）的Pt/Ir20Mn80/YIG三明治异质结构。
• 测量了反常霍尔电阻（AHR）与各向异性磁阻（AMR）随温度与磁场的变化关系。
• 通过磁化测量确定了IrMn的阻塞温度。
• 在10–300 K范围内分析自旋霍尔磁阻（SMR），以评估自旋流通过IrMn的传输性能。
• 利用自旋泵浦与逆自旋霍尔效应（ISHE）原理推断自旋流在IrMn中的传输行为。
• 与Pt/YIG双层结构对比，以分离IrMn插入的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与Pt/YIG相比，Pt/IrMn/YIG中反常霍尔电阻为何出现显著增强？
• RQ2 IrMn厚度如何影响反常霍尔电阻与自旋霍尔磁阻？
• RQ3 Pt/IrMn/YIG中增强的AHR是否与IrMn的本征性质有关，还是源于界面效应？
• RQ4 IrMn的反铁磁有序转变是否影响观测到的AHE或SMR？
• RQ5 IrMn能否有效实现从Pt到YIG的自旋流传输，同时抑制磁性邻近效应？

主要发现

• Pt/IrMn/YIG中的反常霍尔电阻（AHR）显著增强——最大可达Pt/YIG中的数倍——且在3 nm的IrMn厚度下达到峰值。
• AHR的增强在较高温度下尤为明显，表明其具有非平凡的温度依赖性，无法用经典模型解释。
• 在10–300 K范围内观测到自旋霍尔磁阻（SMR），证实Pt中产生的自旋流可完全穿透IrMn层并与YIG发生相互作用。
• 常规各向异性磁阻（CAMR）可忽略不计，表明Pt/IrMn与IrMn/YIG界面处磁性邻近效应（MPE）得到有效抑制。
• 观测到的AHR无法仅通过自旋霍尔效应（SHE）模型解释，因为这些模型需要任意的温度依赖参数，且无法解释厚度依赖的增强现象。
• 结果表明，AHR源于IrMn中的本征自旋-轨道耦合与非共线自旋结构，且与长程反铁磁序无关。