[论文解读] Review and Analysis of Measurements of the Spin Hall Effect in Platinum

Luqiao Liu, R. A. Buhrman+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2011

Magnetic properties of thin films参考文献 30被引用 73

一句话总结

本文综述并调和了铂中自旋霍尔效应的矛盾实验测量结果，识别出先前分析中的错误——特别是由于铜层中未考虑的电荷电流分流，导致自旋霍尔角被低估。通过重新评估室温下溅射铂的自旋扩散长度为1.4 ± 0.3 nm，作者调和了相互矛盾的结果，得出自旋霍尔电导率为(1.4–3.4) × 10⁵ [ħ/(2e)] (Ω·m)⁻¹，自旋霍尔角大于0.05，证实铂在自旋电子学应用中具有强大潜力。

ABSTRACT

Several different experimental techniques have been used in efforts to measure the spin Hall conductivity and the spin Hall angle in Pt samples at room temperature, with results that disagree by more than a factor of 20, with spin Hall conductivities from 2.4 x 10^4 to 5.1 x 10^5 [hbar/(2e)] (Ohm-m)^-1 and spin Hall angles from 0.0037 to 0.08. We review this work, and analyze possible reasons for the discrepancies. We explain that the smallest values for the spin Hall angle that have been reported, based on measurements of lateral permalloy/copper/platinum devices, are incorrect because the original analyses did not properly take into account that copper layers in these devices will shunt charge current flowing through adjacent platinum wires, thereby greatly reducing the size of the spin-Hall-related signals. We suggest that differences between the results for the spin Hall angle found by other experimental techniques are primarily a consequence of different assumptions about the value of the spin diffusion length in Pt. We present a new measurement of the spin diffusion length in Pt within sputtered Pt/permalloy bilayer thin films at room temperature, finding 1.4 \pm 0.3 nm, a much smaller value than has generally been assumed previously. With this value for the spin diffusion length, the previously-discordant results can be brought into much better agreement, with the result that the spin Hall conductivities are (1.4 - 3.4) x 10^5 [hbar/(2e)] (Ohm-m)^-1 and the spin Hall angles are greater than 0.05. These values are sufficiently large that the spin Hall effect in Pt can be used to generate spin currents and spin transfer torques strong enough for efficient manipulation of magnetic moments in adjacent ferromagnetic layers.

研究动机与目标

• 解决多个实验研究中报告的铂自旋霍尔电导率和自旋霍尔角值之间巨大差异的问题。
• 识别并纠正先前分析中的方法论缺陷，特别是忽略横向器件中铜层对电荷电流分流的影响。
• 重新评估室温下溅射铂/坡莫合金双异质结中的自旋扩散长度，这是影响信号解释的关键参数。
• 通过应用具修正自旋扩散长度的一致物理模型，统一此前不一致的实验结果。
• 通过准确的自旋霍尔效应参数，为铂在自旋电子学器件中的可靠定量应用建立基础。

提出的方法

• 系统性回顾并批判性分析15项以上使用不同技术（包括自旋霍尔磁阻和自旋积累探测）测量铂中自旋霍尔效应的实验研究。
• 对横向坡莫合金/铜/铂器件进行再分析，校正铜层导致的电流分流效应，该效应会抑制可测量的自旋霍尔信号。
• 使用改进的自旋扩散模型，结合修正后的自旋扩散长度，重新计算自旋霍尔电导率和自旋霍尔角。
• 通过改进的自旋霍尔几何结构直接测量溅射铂/坡莫合金异质结中的自旋扩散长度，通过拟合电压信号随层厚的变化关系。
• 将理论预测与多种器件结构的实验数据进行比较，以验证修正后的参数。
• 应用误差传播和不确定性分析，量化最终自旋霍尔参数的置信区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在实验条件相似的情况下，铂中自旋霍尔角的测量值差异超过20倍？
• RQ2 横向自旋电子器件中铜层的存在如何影响测得的自旋霍尔信号？为何先前分析忽略此因素是错误的？
• RQ3 室温下溅射铂的真实自旋扩散长度是多少？它如何影响自旋霍尔效应测量结果的解释？
• RQ4 能否通过使用更新的自旋扩散长度和单一一致的物理模型，调和此前不一致的自旋霍尔电导率和自旋霍尔角结果？
• RQ5 修正后的自旋霍尔参数对铂在自旋电子学器件中实际应用有何影响？

主要发现

• 室温下溅射铂/坡莫合金双异质结中的自旋扩散长度为1.4 ± 0.3 nm，显著小于先前假设的值。
• 在铜/铂基横向器件中报告的最小自旋霍尔角（例如~0.0037）是错误的，原因在于未考虑铜层对电荷电流的分流。
• 在修正自旋扩散长度后，铂的自旋霍尔电导率重新评估为(1.4–3.4) × 10⁵ [ħ/(2e)] (Ω·m)⁻¹。
• 修正后的自旋霍尔角大于0.05，表明铂具有强烈的自旋霍尔效应，适用于高效自旋流生成。
• 修正后的参数成功调和了不同测量技术和器件几何结构下此前不一致的实验结果。
• 研究结果证实，铂能够产生足够强的自旋流和自旋转移力矩，足以实现对相邻铁磁层磁矩的实际操控。