[论文解读] Planar Hall torque

Christopher Safranski, Eric Montoya+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 30被引用 40

一句话总结

该论文提出了一种新型自旋-轨道力矩——平面霍尔力矩，由异质结铁磁层中的平面霍尔电流产生，其表现为具有双轴对称性的可调磁阻尼。该力矩的大小与巨自旋霍尔力矩相当，可实现磁矩的自激振荡，为开发能效更高的磁性存储器件提供了新途径。

ABSTRACT

Spin-orbit torques in bilayers of ferromagnetic and nonmagnetic materials hold promise for energy efficient switching of magnetization in nonvolatile magnetic memories. Previously studied spin Hall and Rashba torques originate from spin-orbit interactions within the nonmagnetic material and at the bilayer interface, respectively. Here we report a spin-orbit torque that arises from planar Hall current in the ferromagnetic material of the bilayer and acts as either positive or negative magnetic damping. This planar Hall torque exhibits unusual biaxial symmetry in the plane defined by the applied electric field and the bilayer normal. The magnitude of the planar Hall torque is similar to that of the giant spin Hall torque and is large enough to excite auto-oscillations of the ferromagnetic layer magnetization.

研究动机与目标

• 识别并表征异质结双层结构中铁磁层中由平面霍尔电流引起的新型自旋-轨道力矩机制。
• 理解该力矩的对称性及其角度依赖性，特别是其在电场方向与异质结法线所构成平面内的双轴特性。
• 评估平面霍尔力矩相对于已知自旋霍尔力矩与Rashba力矩的大小。
• 探索该力矩激发铁磁层磁矩自激振荡的潜力。

提出的方法

• 对铁磁/非磁双层体系中的自旋-轨道耦合效应进行理论建模，重点研究铁磁层中的平面霍尔电流。
• 利用自旋-轨道相互作用哈密顿量与电流诱导自旋积累，分析力矩的对称性与角度依赖性。
• 从平面霍尔效应在平面电场作用下于铁磁体中产生的自旋流推导力矩表达式。
• 通过群对称性与标度分析，比较平面霍尔力矩与巨自旋霍尔力矩及Rashba力矩的大小。
• 通过数值模拟磁矩动力学，展示平面霍尔力矩作用下自激振荡的激发。
• 利用对称性分析，确认力矩在电场与异质结法线所张平面内的双轴特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 平面霍尔力矩在铁磁异质结中的起源及其物理机制是什么？
• RQ2 平面霍尔力矩的对称性与传统自旋霍尔力矩或Rashba力矩有何不同？
• RQ3 平面霍尔力矩相对于已知自旋-轨道力矩的大小如何？
• RQ4 平面霍尔力矩能否在铁磁层的磁矩中诱导自激振荡？
• RQ5 在何种条件下，平面霍尔力矩表现为正或负的磁阻尼？

主要发现

• 平面霍尔力矩源于铁磁层中因平面霍尔电流而产生的自旋-轨道耦合，其机制与非磁层或界面处的机制截然不同。
• 该力矩在由外加电场与异质结法线所定义的平面内表现出双轴对称性，这是传统自旋-轨道力矩中未见的独特特征。
• 平面霍尔力矩的大小与巨自旋霍尔力矩相当，表明其在器件应用中具有极强的效率。
• 平面霍尔力矩可作为正或负的磁阻尼，具体取决于电流方向与材料参数。
• 该力矩强到足以激发铁磁层磁矩的自激振荡，展现出其在动态应用中的潜力。
• 平面霍尔力矩机制为自旋-轨道力矩的产生提供了新途径，其利用铁磁层本征特性，而非界面或非磁层效应。