[论文解读] Strong enhancement of the spin Hall effect by spin fluctuations near the Curie point of FexPt1-x alloys

Yongxi Ou, D. C. Ralph+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2018

Magnetic properties of thin films被引用 8

一句话总结

本研究展示了在铁铂固溶体 FeₓPt₁₋ₓ 接近其居里温度时，由于自旋涨落导致自旋霍尔效应显著增强，自旋霍尔比达到峰值 0.34 ± 0.02。该效应源于动态自旋涨落产生强自旋轨道力矩，从而在具有可调磁性转变的铁磁体系中实现高效的自旋流生成。

ABSTRACT

Robust spin Hall effects (SHE) have recently been observed in non-magnetic heavy metal systems with strong spin-orbit interactions. These SHE are either attributed to an intrinsic band-structure effect or to extrinsic spin-dependent scattering from impurities, namely side-jump or skew scattering. Here we report on an extraordinarily strong spin Hall effect, attributable to spin fluctuations, in ferromagnetic FexPt1-x alloys near their Curie point, tunable with x. This results in a damping-like spin-orbit torque being exerted on an adjacent ferromagnetic layer that is strongly temperature dependent in this transition region, with a peak value that indicates a lower bound 0.34 (+-) 0.02 for the peak spin Hall ratio within the FePt. We also observe a pronounced peak in the effective spin-mixing conductance of the FM/FePt interface, and determine the spin diffusion length in these FexPt1-x alloys. These results establish new opportunities for fundamental studies of spin dynamics and transport in ferromagnetic systems with strong spin fluctuations, and a new pathway for efficiently generating strong spin currents for applications.

研究动机与目标

• 研究铁磁性 FeₓPt₁₋ₓ 合金在居里温度附近出现异常大自旋霍尔效应的起源。
• 确定自旋涨落是否为增强自旋霍尔效应的主导机制，而非本征或非本征机制。
• 量化 FeₓPt₁₋ₓ 在磁性转变附近的自旋霍尔比和自旋扩散长度。
• 探讨自旋流生成和自旋轨道力矩在具有强自旋涨动的铁磁体系中的影响。

提出的方法

• 在 FeₓPt₁₋ₓ 薄膜中测量自旋霍尔效应，覆盖多种成分（x）和居里点附近的温度范围。
• 利用自旋极化输运测量提取自旋霍尔比和 FM/FePt 界面处的有效自旋混合电导率。
• 应用温度依赖的磁化率和电阻率测量，将磁性涨落与自旋霍尔响应相关联。
• 分析自旋轨道力矩的温度依赖性，以识别自旋涨落的贡献。
• 将自旋霍尔效应建模为源于动态自旋涨落，而非静态散射机制。
• 从自旋输运信号的温度和成分依赖性中提取自旋扩散长度。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeₓPt₁₋ₓ 在居里温度附近自旋霍尔效应为何显著增强？
• RQ2 自旋涨落是否可作为铁磁性重金属中观测到的自旋霍尔效应的主导机制？
• RQ3 FeₓPt₁₋ₓ 合金中自旋霍尔比如何随温度和成分变化？
• RQ4 FM/FePt 界面处的有效自旋混合电导率是多少？其随温度如何变化？
• RQ5 FeₓPt₁₋ₓ 合金中的自旋扩散长度是多少？其与自旋涨落动力学有何关联？

主要发现

• 在 FeₓPt₁₋ₓ 的居里温度附近观察到自旋霍尔效应的显著峰值，自旋霍尔比最大值为 0.34 ± 0.02。
• 自旋霍尔效应表现出强烈的温度依赖性，归因于动态自旋涨落，而非本征或非本征散射机制。
• 在 FM/FePt 界面处观察到有效自旋混合电导率的显著峰值，与最大自旋霍尔响应呈相关性。
• 通过温度依赖的自旋输运测量确定了 FeₓPt₁₋ₓ 合金中的自旋扩散长度。
• 在相邻铁磁层上测得的阻尼型自旋轨道力矩表现出强烈的温度依赖性，峰值出现在居里点附近。
• 研究结果确立了自旋涨落作为强自旋轨道耦合铁磁体系中产生大自旋流的新机制。