[论文解读] Strain Dependent Spin Hall Magnetoresistance in the Multiferroic Antiferromagnet BiFeO$_3$

Daniel Sando, Si Chen+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2023

Multiferroics and related materialsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究证明，在外延BiFeO3薄膜中，应变诱导的结构相——菱形相类似（R'）和四方相类似（T'）——表现出不同的自旋霍尔磁阻（SMR）响应。两种相均显示正SMR，表明存在自旋偏置的铁磁矩，但T' BFO在室温下表现出增强的SMR，且随温度降低而减小，而R' BFO则表现出相反趋势，与弱铁磁性行为一致。这种差异源于磁场诱导磁矩贡献机制的不同：在T' BFO中，外加磁场可直接诱导磁矩，而在R' BFO中，磁矩则通过Néel矢量介导，从而实现应变可调的SMR，为自旋电子学应用提供可能。

ABSTRACT

The spin Hall magnetoresistance (SMR) of epitaxial BiFeO$_3$ thin films is investigated. SMR consistent with ferromagnetic interfacial states for BiFeO$_3$ films fabricated on (001) SrTiO$_3$ (R' BFO) and LaAlO$_3$ (T' BFO) substrates is found, albeit with different temperature dependencies. For T' BFO, the SMR is enhanced at room temperature, and decays with reduced temperatures. By contrast, R' BFO shows a monotonic decrease in SMR response with increasing temperature, mirroring the trend of a weak ferromagnet. Density functional theory shows that this difference originates from the coupling of the applied magnetic field to oxygen octahedral rotation (R') and spin (T') degrees of freedom.

研究动机与目标

• 研究外延应变及BiFeO3薄膜中结构相（R'与T'）对自旋霍尔磁阻（SMR）的影响。
• 确定R'-和T'-相BiFeO3中SMR温度依赖性差异的起源。
• 探讨反铁磁BiFeO3中弱铁磁性与自旋-晶格耦合在自旋电子学应用中的作用。
• 确立SMR作为多铁氧化物中界面磁各向异性和磁场诱导自旋响应的敏感探测手段。

提出的方法

• 在(001)SrTiO3（R' BFO）和(001)LaAlO3（T' BFO）衬底上外延生长BiFeO3薄膜，以引入不同的面内压缩应变。
• 采用带Pt帽层的霍尔条形几何结构，测量温度和磁场依赖的自旋霍尔磁阻（SMR）。
• 进行磁场依赖的SMR测量，以区分畴取向重排、自旋翻转转变与线性磁矩响应。
• 利用密度泛函理论（DFT）计算分析磁场、氧八面体旋转（R'）与自旋自由度（T'）之间的耦合。
• 采用穆斯堡尔谱学确认磁态，并验证弱铁磁性的存在。
• 理论建模将观测到的SMR行为与T' BFO中的磁场诱导磁矩响应以及R' BFO中L矢量介导的磁矩响应联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 BiFeO3薄膜中的外延应变如何影响自旋霍尔磁阻（SMR）的温度依赖性？
• RQ2 为何T'-相BiFeO3在室温下表现出增强的SMR，而R'-相则在低温下SMR最大？
• RQ3 BiFeO3中T'与R'结构相之间SMR响应差异的起源是什么？
• RQ4 Néel矢量与外加磁场如何耦合以产生反铁磁BiFeO3中观测到的SMR信号？
• RQ5 SMR能否作为多铁氧化物中界面磁各向异性和磁场诱导自旋响应的可靠探测手段？

主要发现

• T'-相BiFeO3在300 K时表现出增强的SMR，且随温度降低单调减小，表明其响应源于磁场诱导的磁矩。
• R'-相BiFeO3在5 K时SMR最大，随温度升高而减小，其行为与弱铁磁性一致。
• 两种相的磁场依赖SMR测量均显示∆ρxy与H呈线性关系，排除了畴取向重排或自旋翻转转变作为信号来源的可能性。
• DFT计算证实，SMR差异源于磁场与氧八面体旋转（R'）以及自旋自由度（T'）之间的耦合。
• T' BFO中的SMR响应主要由磁场诱导的磁矩主导，而R' BFO中的响应则通过Néel矢量（L）介导，解释了其相反的温度依赖性。
• 结果表明，应变工程可用于调节多铁反铁磁体中SMR的大小及其温度依赖性，为自旋电子学应用提供可能。