[论文解读] Tunable creation of pure spin supercurrents via Rashba spin-orbit coupling with Pt/Co/Pt spin sinks

Kun-Rok Jeon, X. Montiel+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本研究通过Pt/Co/Pt自旋阱中的Rashba自旋轨道耦合，在铌（Nb）中实现了可调谐的纯自旋超导电流，其中超导电流效率可通过切换Co层磁化方向来调控。通过插入具有弱自旋轨道耦合的Cu阻隔层，作者证实Rashba型自旋轨道耦合对于生成和传输纯自旋超导电流至关重要，从而实现了可通过垂直自旋超导电流通道调控横向自旋波传播的可门控超导自旋波器件。

ABSTRACT

Recent ferromagnetic resonance experiments and theory of Pt/Nb/Ni8Fe2 proximity-coupled structures strongly suggest that spin-orbit coupling (SOC) in Pt in conjunction with a magnetic exchange field in Ni8Fe2 are the essential ingredients to generate a pure spin supercurrent channel in Nb. Here, by substituting Pt for a perpendicularly magnetized Pt/Co/Pt spin-sink, we are able to demonstrate the role of SOC, and show that pure spin supercurrent pumping efficiency across Nb is tunable by controlling the magnetization direction of Co. By inserting a Cu spacer with weak SOC between Nb and Pt/(Co/Pt) spin-sink, we also prove that Rashba type SOC is key for forming and transmitting pure spin supercurrents across Nb. Finally, by engineering these properties within a single multilayer structure, we demonstrate a prototype superconducting spin-wave (SW) device in which lateral SW propagation is gateable via the opening or closing of a vertical pure spin supercurrent channel in Nb.

研究动机与目标

• 研究自旋轨道耦合（SOC）在超导Nb中产生纯自旋超导电流的作用。
• 确定Rashba型SOC是否对于在Nb中形成和传输纯自旋超导电流至关重要。
• 通过调控Pt/Co/Pt自旋阱中Co层的磁化方向，展示自旋超导电流效率的可调性。
• 通过垂直纯自旋超导电流通道，设计并实现一种具有可门控横向自旋波传播的原型超导自旋波器件。

提出的方法

• 利用铁磁共振实验和理论建模分析Pt/Nb/Ni8Fe2结构，为自旋超导电流的生成奠定基础。
• 用具有垂直磁各向异性的Pt/Co/Pt自旋阱替代Ni8Fe2，以实现通过磁化方向调控自旋超导电流效率。
• 在Nb与Pt/(Co/Pt)自旋阱之间插入具有弱自旋轨道耦合的Cu阻隔层，以分离Rashba型自旋轨道耦合在自旋超导电流传输中的作用。
• 构建集自旋阱、阻隔层和Nb于一体的多层结构，以展示功能性超导自旋波器件。
• 通过Co层的磁化状态开关垂直纯自旋超导电流通道，实现对自旋波传播的控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过Pt/Co/Pt自旋阱中的Rashba自旋轨道耦合在Nb中生成并调控纯自旋超导电流？
• RQ2 Rashba型自旋轨道耦合是否对于在Nb中形成和传输纯自旋超导电流至关重要？
• RQ3 能否通过调控Co层的磁化方向来控制自旋超导电流泵送的效率？
• RQ4 具有工程化自旋轨道耦合和磁性特性的多层结构能否实现可门控的超导自旋波器件？

主要发现

• 通过切换Pt/Co/Pt自旋阱中Co层的磁化方向，可调谐Nb中纯自旋超导电流泵送的效率。
• 在Nb与Pt/(Co/Pt)自旋阱之间插入具有弱自旋轨道耦合的Cu阻隔层，证实Rashba型自旋轨道耦合对于纯自旋超导电流传输至关重要。
• Pt/Co/Pt结构中存在Rashba自旋轨道耦合，可在Nb中形成可由Co磁化状态开关的纯自旋超导电流通道。
• 成功演示了一款原型超导自旋波器件，其中横向自旋波传播可通过开启或关闭垂直纯自旋超导电流通道进行控制。