[论文解读] Spin-memory loss due to spin-orbit coupling at ferromagnet/heavy-metal interfaces: Ab initio spin-density matrix approach

Kapildeb Dolui, Branislav K. Nikolić|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2017

Magnetic properties of thin films被引用 6

一句话总结

本研究提出一种从头算自旋密度矩阵框架，以微观方式量化铁磁/重金属（FM/HM）界面处的自旋记忆损失（SML），揭示了界面自旋轨道耦合——即使在无无序或互扩散的情况下——可通过非对角密度矩阵的衰减降低自旋极化，从而导致SML。关键发现是，Pt/Cu界面处强烈的SML源于本征自旋轨道耦合，而非缺陷，解释了此前被错误归因于无序的大型实验SML值。

ABSTRACT

Spin-memory loss (SML) of electrons traversing ferromagnetic-metal/heavy-metal (FM/HM), FM/normal-metal (FM/NM) and HM/NM interfaces is a fundamental phenomenon that must be invoked to explain consistently large number of spintronic experiments. However, its strength extracted by fitting experimental data to phenomenological semiclassical theory, which replaces each interface by a fictitious bulk diffusive layer, is poorly understood from a microscopic quantum framework and/or materials properties. Here we describe an ensemble of flowing spin quantum states using spin-density matrix, so that SML is measured like any decoherence process by the decay of its off-diagonal elements or, equivalently, by the reduction of the magnitude of polarization vector. By combining this framework with density functional theory (DFT), we examine how all three components of the polarization vector change at Co/Ta, Co/Pt, Co/Cu, Pt/Cu and Pt/Au interfaces embedded within Cu/FM/HM/Cu vertical heterostructures. In addition, we use ab initio Green's functions to compute spectral functions and spin textures over FM, HM and NM monolayers around these interfaces which quantify interfacial spin-orbit coupling and explain the microscopic origin of SML in long-standing puzzles, such as why it is nonzero at Co/Cu interface; why it is very large at Pt/Cu interface; and why it occurs even in the absence of disorder, intermixing and magnons at the interface.

研究动机与目标

• 解决FM/HM、FM/NM和HM/NM界面处自旋记忆损失（SML）的微观起源，尽管其在自旋电子器件中起核心作用，但至今仍理解不足。
• 基于自旋密度矩阵开发一种基于量子力学的框架，将SML描述为退相干过程，用从头算计算替代经验参数。
• 解释长期存在的谜题：Co/Cu界面存在非零SML，Pt/Cu界面SML极大，以及在清洁、无无序界面中SML的存在。
• 利用谱函数和自旋纹理量化界面自旋轨道耦合如何改变自旋极化矢量的三个分量。

提出的方法

• 采用自旋密度矩阵形式描述流动的自旋态，其中SML通过非对角矩阵元的衰减和极化矢量幅度的减小来衡量。
• 将从头算密度泛函理论（DFT）与非平衡格林函数方法结合，计算Cu/FM/HM/Cu垂直异质结构中FM/HM/NM界面的谱函数和自旋纹理。
• 利用Landauer-Büttiker形式化方法计算自旋依赖的透射和反射概率，并将其与自旋密度矩阵的演化关联。
• 将SML参数ζ计算为自旋电流吸收的度量，其基于界面处极化矢量幅度的减小。
• 分析自旋纹理和谱函数的空间分布，识别原子层对SML的贡献，特别是Co/Ta、Co/Pt、Pt/Cu和Pt/Au界面。
• 通过对比存在与不存在磁性邻近效应的体系，研究界面自旋轨道耦合的作用，利用各层中的磁矩分布进行分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 当不存在无序、互扩散或自旋波时，FM/HM界面处自旋记忆损失（SML）的微观起源是什么？
• RQ2 为何在Cu中无强自旋轨道耦合的情况下，Co/Cu界面的SML仍非零？
• RQ3 为何Pt/Cu界面的SML特别大？这是源于本征界面自旋轨道耦合，还是外部因素如互扩散？
• RQ4 自旋极化矢量的三个分量如何在HM层中演化？自旋轨道耦合在产生出平面极化分量方面起什么作用？
• RQ5 磁性邻近效应和界面自旋纹理在Co/Ta和Co/Pt体系中对SML的贡献有多大？

主要发现

• Pt/Cu界面处的SML由强界面自旋轨道耦合本征驱动，ζ ≈ 0.29，解释了此前被错误归因于无序的大型实验SML值。
• 在Co/Ta界面处，Co和Ta单层均对SML有贡献，ζ ≈ 0.02（对应Co(0001)/Ta(001)），而Co/Pt界面表现出更强的SML（ζ ≈ 0.04），主要源于Pt的自旋轨道耦合。
• 即使在无无序条件下，SML仍会发生，这是由于自旋轨道耦合导致极化矢量非单调衰减，并从面内注入的自旋产生出平面自旋分量（Pz）。
• 单层Pt可作为‘自旋阱’，而双层Pt可短暂实现自旋电流的再极化，尽管该效应随距离界面的增加而衰减。
• 谱函数和自旋纹理显示，Pt/Cu界面处的自旋轨道耦合与铁磁Rashba模型根本不同，界面处强烈的自旋纹理驱动SML。
• 磁性邻近效应在Pt层中延伸长度更长（≈3 ML），而Ta中仅为≈1 ML，且1 ML Ta显著抑制FM侧的磁矩，从而贡献于SML。