[论文解读] Tunable sign change of spin Hall magnetoresistance in Pt/NiO/YIG structures

Dazhi Hou, Zhiyong Qiu+8 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Oct 24, 2016

Magnetic properties of thin films被引用 4

一句话总结

本研究通过调控NiO厚度和温度，在Pt/NiO/YIG三明治结构中实现了自旋霍尔磁阻（SMR）的可调制符号反转。低温下的负SMR源于NiO的奈尔序与YIG磁化强度之间的自旋翻转耦合，该耦合在高温下与YIG的正SMR贡献竞争，从而实现通过温度或NiO厚度实现SMR符号的可逆切换。

ABSTRACT

Spin Hall magnetoresistance (SMR) has been investigated in Pt/NiO/YIG structures in a wide range of temperature and NiO thickness. The SMR shows a negative sign below a temperature which increases with the NiO thickness. This is contrary to a conventional SMR theory picture applied to Pt/YIG bilayer which always predicts a positive SMR. The negative SMR is found to persist even when NiO blocks the spin transmission between Pt and YIG, indicating it is governed by the spin current response of NiO layer. We explain the negative SMR by the NiO 'spin-flop' coupled with YIG, which can be overridden at higher temperatures by positive SMR contribution from YIG. This highlights the role of magnetic structure in antiferromagnets for transport of pure spin current in multilayers.

研究动机与目标

• 研究Pt/NiO/YIG异质结构中异常负自旋霍尔磁阻（SMR）的起源，与传统SMR理论相反。
• 确定NiO厚度和温度如何影响SMR的符号，挑战了反铁磁体仅调节自旋传输效率的假设。
• 建立一个现象学模型，解释来自NiO的负SMR与来自YIG的正SMR之间的竞争，从而导致SMR符号反转。
• 通过自旋泵浦和SMR测量验证该模型，将NiO的温度依赖透明度与自旋流传输联系起来。

提出的方法

• 为Pt/NiO/YIG界面自旋流提出一个现象学模型，通过线性组合方式同时包含NM/AFM和NM/FI贡献。
• 引入一个温度依赖的透明度函数 $ t(T) \triangleq G_F(e^{aT} - 1) $，该函数基于自旋泵浦数据推导，用于描述NiO的自旋传输效率。
• 使用扩散方程和昂萨格原理计算SMR，电阻率变化由公式(2)表达，涉及自旋霍尔角 $ \theta_{\text{SHE}} $、自旋扩散长度 $ \rho_N $ 和界面电导。
• 使用固定参数（$ \theta_{\text{SHE}} = 0.05 $，$ d_N = 4.0 $ nm，$ \rho_0 = 860 $ $ \text{nm}\times\text{nm} $，$ \tau_N = 1.5 $ nm）拟合SMR数据，并从实验数据中提取 $ G_{AF} $ 和 $ G_F $。
• 排除接近和高于NiO奈尔温度的数据，以确保指数拟合的有效性，聚焦于中间温度区间。
• 通过在不同 $ d_{\text{NiO}} $ 的多个样品中重现NiO厚度依赖的SMR符号变化，验证了模型的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何Pt/NiO/YIG在低温下表现出负SMR，与传统Pt/YIG双层结构预测的正SMR相反？
• RQ2 NiO厚度如何影响SMR符号反转的温度？
• RQ3 负SMR贡献的起源是什么？为何即使NiO完全阻断Pt与YIG之间的直接自旋传输，该负SMR仍持续存在？
• RQ4 来自NiO和YIG的SMR贡献之间的竞争如何导致SMR符号的可调制变化？
• RQ5 是否可以使用包含温度依赖自旋透明度的现象学框架，对观测到的SMR行为进行定量建模？

主要发现

• 随着温度升高，SMR符号由负转正，且转变温度随NiO厚度增加而升高。
• 即使NiO完全阻断Pt与YIG之间的直接自旋传输，负SMR仍持续存在，表明其源于NiO的本征自旋流响应。
• 负SMR归因于NiO的奈尔序与YIG磁化强度之间的自旋翻转耦合，该耦合在低温下占主导地位。
• 在较高温度下，YIG的正SMR贡献占主导，克服来自NiO的负贡献，导致SMR符号发生交叉。
• 包含 $ t(T) = G_F(e^{aT} - 1) $ 的现象学模型成功再现了所有测量样品中NiO厚度依赖的SMR符号变化。
• 拟合参数表明，$ G_{AF} $（NiO界面电导）随NiO厚度增加而减小，同时 $ G_F $（YIG电导）也减小，表明随着NiO层加厚，自旋流传输效率降低。