[论文解读] Spin-Polarized Current Induced Torque in Magnetic Tunnel Junctions

Alan Kalitsov, Ioannis Theodonis+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2005

Magnetic properties of thin films被引用 38

一句话总结

本文提出一种非平衡格林函数的紧束缚模型，用于计算具有非共线铁磁层的磁性隧道结中的自旋扭矩。研究证明了两种方法——有效局域磁矩法与自旋电流散度法——的等价性，表明自旋扭矩分量随位置振荡衰减，并因自旋进动而产生相位差，其关键贡献来自零偏压下的自旋积累与交换耦合。

ABSTRACT

We present tight-binding calculations of the spin torque in non-collinear magnetic tunnel junctions based on the non-equilibrium Green functions approach. We have calculated the spin torque via the effective local magnetic moment approach and the divergence of the spin current. We show that both methods are equivalent, i.e. the absorption of the spin current at the interface is equivalent to the exchange interaction between the electron spins and the local magnetization. The transverse components of the spin torque parallel and perpendicular to the interface oscillate with different phase and decay in the ferromagnetic layer (FM) as a function of the distance from the interface. The period of oscillations is inversely proportional to the difference between the Fermi-momentum of the majority and minority electrons. The phase difference between the two transverse components of the spin torque is due to the precession of the electron spins around the exchange field in the FM layer. In absence of applied bias and for a relatively thin barrier the perpendicular component of the spin torque to the interface is non-zero due to the exchange coupling between the FM layers across the barrier.

研究动机与目标

• 研究非共线磁性隧道结中自旋极化输运下的电流诱导自旋扭矩。
• 解决有效局域磁矩与自旋电流散度方法在计算自旋扭矩时的物理等价性问题。
• 分析铁磁层中自旋扭矩分量的空间依赖性、振荡行为及衰减特性。
• 考察交换耦合与自旋积累在零偏压下产生扭矩的作用机制。
• 探讨反向电流流动（正偏压与负偏压）下自旋扭矩的不对称性。

提出的方法

• 采用一维单带紧束缚模型研究具有非共线磁化的FM/I/FM异质结构。
• 在Keldysh框架下应用非平衡格林函数形式化方法，处理偏压下的电子输运。
• 将哈密顿量分解为自旋平均项与自旋分裂项，以描述d带中的交换分裂。
• 在自旋空间中使用2×2矩阵格林函数，通过FM层之间的旋转角γ来模拟非共线自旋结构。
• 通过计算非平衡下侧格林函数G<，提取自旋依赖的可观测量，如有效磁矩与自旋电流。
• 通过两种等价方法评估自旋扭矩：(1) 局域磁矩与交换场作用产生的扭矩（T = Δ × μ），(2) 自旋电流散度（T = −∇·Q）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非共线磁性隧道结中，有效局域磁矩法与自旋电流散度法在计算自旋扭矩时是否等价？
• RQ2 自旋扭矩的横向分量（平行与垂直于界面）在铁磁层中的空间分布如何变化？
• RQ3 自旋扭矩振荡分量之间的相位差由何引起，其与电子自旋进动有何关联？
• RQ4 为何在零偏压下垂直分量自旋扭矩不为零？其背后的物理机制是什么？
• RQ5 改变电流方向（正偏压与负偏压）如何影响自旋扭矩的大小与空间分布？

主要发现

• 通过有效局域磁矩法与自旋电流散度法计算自旋扭矩的两种方法具有等价性，验证了理论预期。
• 自旋扭矩的两个横向分量（T|| 与 T⊥）在铁磁层中随位置振荡，其周期与自旋向上与自旋向下电子费米动量差成反比。
• T|| 与 T⊥ 之间的相位差源于铁磁层中交换场引起的自旋进动。
• 在零偏压下，T⊥ ≠ 0 是由于隧穿势垒两侧的交换耦合，而 T|| = 0，表明 T⊥ 起到了有效交换耦合的作用。
• 在有限偏压下，T|| 以及 T⊥(V≠0) − T⊥(V=0) 成为电流诱导自旋扭矩的主要来源。
• 反转电流方向（负偏压）显著增强自旋扭矩，这是由于透射电子的横向自旋极化增强，导致右端铁磁层中扭矩更强。