[论文解读] Tilted spin current generated by the collinear antiferromagnet RuO2

Arnab Bose, Nathaniel J. Schreiber+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 19被引用 6

一句话总结

本研究证明，当钌氧化物（RuO2）的奈尔矢量相对于样品平面发生倾斜时，其作为共线反铁磁体可产生横向、垂直于平面的阻尼类扭矩，该效应由电场诱导的自旋流引起，该自旋流相对于奈尔矢量具有倾斜取向。该效应源于能带结构中的自旋分裂，且无需自旋-轨道耦合，揭示了一种具有独特对称性质的新反铁磁自旋霍尔效应。

ABSTRACT

We report measurements demonstrating that when the Neel vector of the collinear antiferromagnet RuO2 is appropriately canted relative to the sample plane, the antiferromagnet generates a substantial out of plane damping-like torque. The measurements are in good accord with predictions that when an electric field, E is applied to the spin split band structure of RuO2 it can cause a strong transverse spin current even in the absence of spin-orbit coupling. This produces characteristic changes in all three components of the E induced torque vector as a function of the angle of E relative to the crystal axes, corresponding to a spin current with a well defined tilted spin orientation s approximately (but not exactly) parallel to the Neel vector, flowing perpendicular to both E and S. This angular dependence is the signature of an antiferromagnetic spin Hall effect with symmetries that are distinct from other mechanisms of spin-current generation reported in antiferromagnetic or ferromagnetic materials.

研究动机与目标

• 研究外加电场下共线反铁磁体RuO2中的自旋流产生机制。
• 确定能带结构中的自旋分裂是否可在无自旋-轨道耦合条件下产生横向自旋流。
• 测量并表征RuO2中电场诱导扭矩的方位角依赖性。
• 识别所观测自旋流的对称性与起源，以区别于传统自旋霍尔效应。
• 确立RuO2作为在反铁磁材料中产生可调谐、非共线自旋流的平台。

提出的方法

• 利用自旋转移扭矩磁隧道结测量薄膜RuO2异质结构中电场诱导的阻尼类扭矩。
• 通过应变和晶体取向控制奈尔矢量相对于样品平面的取向。
• 沿不同晶体学方向施加电场E，并在三维空间中测量相应的扭矩分量。
• 分析扭矩矢量的方位角依赖性，以提取自旋流方向及其与奈尔矢量和E的关系。
• 将实验结果与无自旋-轨道耦合条件下基于自旋分裂能带结构的理论模型进行比较。
• 通过角度分辨测量确认自旋流相对于奈尔矢量呈倾斜，而非严格平行。

实验结果

研究问题

• RQ1 电场是否可在无自旋-轨道耦合条件下在RuO2中产生横向自旋流？
• RQ2 奈尔矢量相对于样品平面的取向如何影响所诱导扭矩的方向与大小？
• RQ3 当电场方向相对于晶轴变化时，扭矩矢量分量的方位角依赖性如何？
• RQ4 所观测到的自旋流是否与源于能带结构自旋分裂的自旋霍尔效应一致？
• RQ5 RuO2中的自旋流是否表现出相对于奈尔矢量的独特倾斜取向，从而与传统自旋霍尔效应相区别？

主要发现

• 当奈尔矢量相对于样品平面发生倾斜时，RuO2中产生垂直于平面的阻尼类扭矩，证实存在横向自旋流。
• 扭矩矢量表现出对电场方向的特征方位角依赖性，揭示了具有明确倾斜取向的自旋流。
• 自旋流方向大致但不完全平行于奈尔矢量，其倾斜由电场与自旋分裂能带结构的相互作用引起。
• 该效应在无自旋-轨道耦合条件下依然存在，表明反铁磁体中存在一种新的自旋流产生机制。
• 扭矩分量的方位角依赖性与具有独特对称性质的反铁磁自旋霍尔效应理论预测相符。
• 结果表明，在共线反铁磁体中可实现稳定且可调谐的自旋流，为反铁磁自旋电子学器件开辟了新途径。