[论文解读] Manipulating chiral-spin transport with ferroelectric polarization

Xiaoxi Huang, Xianzhe Chen+29 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2023

Multiferroics and related materials被引用 4

一句话总结

该论文通过铁电极化反转实现了在多铁性BiFeO₃中对手性自旋输运的电场调控，实现了室温下高达18%的自旋波电流整流。自旋波产生的自旋力矩可高效切换相邻磁性层，从而实现基于铁电场调控自旋波传播的全氧化物、可扩展能效的逻辑器件。

ABSTRACT

A collective excitation of the spin structure in a magnetic insulator can transmit spin-angular momentum with negligible dissipation. This quantum of a spin wave, introduced more than nine decades ago, has always been manipulated through magnetic dipoles, (i.e., timereversal symmetry). Here, we report the experimental observation of chiral-spin transport in multiferroic BiFeO3, where the spin transport is controlled by reversing the ferroelectric polarization (i.e., spatial inversion symmetry). The ferroelectrically controlled magnons produce an unprecedented ratio of up to 18% rectification at room temperature. The spin torque that the magnons in BiFeO3 carry can be used to efficiently switch the magnetization of adja-cent magnets, with a spin-torque efficiency being comparable to the spin Hall effect in heavy metals. Utilizing such a controllable magnon generation and transmission in BiFeO3, an alloxide, energy-scalable logic is demonstrated composed of spin-orbit injection, detection, and magnetoelectric control. This observation opens a new chapter of multiferroic magnons and paves an alternative pathway towards low-dissipation nanoelectronics.

研究动机与目标

• 通过铁电极化实现对多铁性BiFeO₃中手性自旋输运的电场调控。
• 在室温下实现可控、高效的自旋波介导自旋输运。
• 基于铁电场调控的自旋波传播，开发一种全氧化物、可扩展能效的逻辑架构。
• 量化BiFeO₃/SrIrO₃异质结中的自旋力矩效率与非局域自旋输运。

提出的方法

• 利用横向非局域自旋输运测量，通过Pt和SrIrO₃纳米线在BiFeO₃薄膜上实现自旋轨道注入与探测。
• 施加面内电场脉冲以切换铁电极化并调制自旋波电流，测量持续100秒的电压信号。
• 采用自旋霍尔效应（一次谐波电压）和自旋热电效应（二次谐波电压）生成与探测自旋波。
• 测量到与铁电畴切换相关的磁滞蝴蝶形电压响应，证实了极化控制。
• 将距离相关的非局域电压信号拟合至扩散自旋波传播模型：$ R_{\rm{nl}} = \frac{C}{\rho} \frac{\rm{exp}(d/\rho)}{1 - \rm{exp}(2d/\rho)} $，得到约0.17 μm和0.25 μm的扩散长度。
• 利用公式 $ V_{\rm{ISHE}} = \frac{\theta_{\rm{SOT}} \rho_{\rm{SD}} \tanh(t_{\rm{SIO}}/(2\rho_{\rm{SD}})) L}{t_{\rm{SIO}} \rho_{\rm{SIO}}} J_{\rm{S}} $ 计算逆自旋霍尔电压，预测10 nm厚BiFeO₃的输出电压约为10 mV。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下通过铁电极化反转控制多铁性BiFeO₃中的手性自旋输运？
• RQ2 在BiFeO₃/SrIrO₃异质结中，自旋波诱导的自旋力矩在切换相邻磁性层时的效率如何？
• RQ3 非局域自旋波电流如何依赖于铁电畴状态与电极间距？
• RQ4 能否通过铁电场调控的自旋波输运实现可扩展的全氧化物自旋电子逻辑器件？
• RQ5 基于BiFeO₃并以SrIrO₃作为自旋探测器的垂直自旋波基MESO器件，其预测输出电压是多少？

主要发现

• 在室温下，BiFeO₃中的铁电极化反转在自旋波输运中诱导出高达18%的整流比。
• 在向上铁电极化下，SrRuO₃的磁化反转临界电流更低，表明自旋传输效率更高。
• BiFeO₃/SrIrO₃中的非局域电压信号比BiFeO₃/Pt中的高出约一个数量级（约1 μV vs. 约0.1 μV）。
• 距离依赖的非局域信号符合扩散自旋波传播模型，有效扩散长度分别为约0.17 μm（自旋霍尔驱动）和约0.25 μm（热驱动）。
• 理论建模预测，10 nm厚BiFeO₃的逆自旋霍尔电压约为10 mV，接近MESO器件100 mV的目标。
• 磁滞的蝴蝶形电压响应证实了鲁棒的电控自旋波输运，其矫顽场与铁电切换一致。