[论文解读] Observation of long-range orbital transport and giant orbital torque

Hiroki Hayashi, Daegeun Jo+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2022

Spacecraft Dynamics and Control被引用 7

一句话总结

本研究通过实验展示了铁磁性和非磁性材料中长程轨道电流输运及巨大轨道扭矩，揭示轨道电流的传播距离超过自旋电流的十倍以上。研究人员观测到轨道扭矩效率显著高于自旋扭矩，为基于轨道角动量输运的轨道电子学奠定了基础。

ABSTRACT

Modern spintronics relies on the generation of spin currents through spin-orbit coupling. The spin-current generation has been believed to be triggered by current-induced orbital dynamics, which governs the angular momentum transfer from the lattice to the electrons in solids. The fundamental role of the orbital response in the angular momentum dynamics suggests the importance of the orbital counterpart of spin currents: orbital currents. However, evidence for its existence has been elusive. Here, we demonstrate the generation of giant orbital currents and uncover fundamental features of the orbital response. We experimentally and theoretically show that orbital currents propagate over longer distances than spin currents by more than an order of magnitude in a ferromagnet and nonmagnets. Furthermore, we find that the orbital current enables electric manipulation of magnetization with efficiencies significantly higher than the spin counterpart. These findings open the door to orbitronics that exploits orbital transport and spin-orbital coupled dynamics in solid-state devices.

研究动机与目标

• 通过实验演示铁磁性和非磁性材料中轨道电流的存在及其长程传播。
• 研究轨道电流与自旋电流输运之间的基本差异，特别是衰减长度和进动动力学方面的差异。
• 测量并量化轨道扭矩在操控磁化方面相对于自旋扭矩的效率。
• 建立基于固体中轨道角动量转移的轨道电子学的理论与实验框架。

提出的方法

• 利用射频磁控溅射法在SiO2基底上制备FM/NM异质结构（Ni、NiFe、Ti、W），通过线性挡板控制厚度。
• 采用GSG电极进行自旋扭矩铁磁共振（ST-FMR）测量，通过各向异性磁阻效应检测电流诱导的磁化动力学。
• 测量直流电压响应随外加磁场和射频电流的变化，以提取阻尼类和场类扭矩。
• 采用四探针电阻率测量和X射线衍射表征W薄膜的电学与结构特性。
• 通过焦耳加热引起的电阻变化确定射频电流，以准确估算施加的电场。
• 将实验数据与理论建模相结合，解释通过动量空间中轨道热点实现的长程轨道输运与巨大轨道扭矩。

实验结果

研究问题

• RQ1 轨道电流在铁磁性和非磁性材料中是否能比自旋电流传播更远的距离？
• RQ2 在磁性异质结构中，轨道扭矩的大小与效率与自旋扭矩相比如何？
• RQ3 动量空间中的轨道响应——特别是简并轨道热点的存在——如何影响电流输运与角动量转移？
• RQ4 能否在真实材料中建立长程轨道输运与巨大轨道扭矩的实验证据？
• RQ5 自旋-轨道耦合在将轨道角动量传递给自旋自由度的过程中起什么作用？

主要发现

• 在铁磁性和非磁性材料中，均观测到轨道电流的传播距离超过自旋电流的十倍以上。
• 铁磁体中轨道电流的衰减长度显著长于自旋电流，后者因自旋进动而衰减在1 nm以内。
• 测得巨大的轨道扭矩效率，其效率远超自旋扭矩，表明对磁化的电控能力更优。
• 理论分析证实，长程输运源于动量空间中近乎简并的轨道态形成“热点”，从而最小化进动，实现延长传播。
• 厚度大于10 nm的W薄膜电阻率遵循$ t^{-1} $依赖关系，表明体相行为，$ ho_{\text{bulk}} = 9.96~\rm{\rho\text{cm}} $，证实高质量$ \beta $-W相。
• 在$ t_{\text{W}} < 10 $ nm时偏离$ t^{-1} $电阻率趋势，表明存在$ \beta $-W（高电阻率）与$ \beta $-W（低电阻率）的混合相，证实厚度减小导致相变。