Nano Letters: 铬中轨道霍尔效应引起的高效非线性反铁磁状态翻转

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近日，新加坡国立大学吴义宏教授在Nano Letters发表研究论文“Efficient non-collinear antiferromagnetic state switching induced by orbital Hall effect in chromium”。该论文演示了以3d过渡金属铬作为自旋电流来源而有效地对锡化锰的非共线反铁磁状态进行电操控。其效率和基于重金属的结构相当。然而，太赫兹发射和自旋霍尔磁阻测试结果表明基于铬的铁磁结构中的自旋到电荷转换效率却远比重金属低。这些结果表明铬中的自旋-电荷相互转换机制不同于重金属中的自旋霍尔效应，而是源于轨道霍尔效应。这项工作提供了一种电操控反铁磁自旋态的方法和一种区分轻金属中自旋霍尔效应和轨道霍尔效应的策略。

该论文的第一作者为新加坡国立大学电子与计算机工程学院研究员谢航博士，通讯作者为新加坡国立大学吴义宏教授。课题组近年来聚焦反铁磁结构里的自旋电荷相互转换，和基于自旋轨道矩的磁性传感器及其在位置探测和生物医学等领域上的应用。

创新点：

1）使用轻金属作为自旋电流源来操控非共线反铁磁状态。

2）通过太赫兹和磁阻测量揭示轨道霍尔效应和自旋霍尔效应不同的电荷-自旋转换

图1(a)展示了实验中用到的层状结构。锡化锰薄膜由磁控溅射生长。不同的非磁性金属层在锡化锰退火之后生长以避免相互扩散。图1(b)是60纳米锡化锰的XRD图案，从中我们可以看到多峰，表明锡化锰多晶的特性。由图1(c)所示，不同结构中锡化锰的反常霍尔效应曲线有着相似的矫顽力和形状，表明其磁特性没有受到上层金属的太大影响。图1(d)展示了锡化锰在不同结构中的电流引入翻转曲线。锡化锰/钽和锡化锰/铂有着明显的电流引入翻转，除此之外，锡化锰/铬也表现出了明显的电流引入翻转，即使铬的自旋霍尔效应非常微弱。值得注意的是，锡化锰/铬的翻转极性和锡化锰/钽相同而和锡化锰/铂相反。图1(e)总结了锡化锰在不同结构中的翻转比率。在锡化锰和铬之间插了一层氧化镁后，翻转比率明显减小，从而排除了自引入翻转主导的可能。

图1. (a)所研究的样品层状结构。(b)锡化锰的薄膜的XRD图案。(c)锡化锰随场变化的霍尔电阻。(d)锡化锰随电流变化的霍尔电阻。(e)锡化锰在不同结构中的翻转比率。

为了进一步探究锡化锰/铬中电流引入翻转的机制，我们系统改变了铬和锡化锰的厚度，并在不同温度下测量了电流引入翻转。图2(a-b)分别展示了锡化锰/铬在不同铬厚度和锡化锰厚度下的翻转比率和临界电流。总体而言，在整个铬和锡化锰的厚度变化范围内翻转比率都保持着较高的水平并且没有一个特定的趋势，而临界电流则随着铬厚度增加先减小然后在6纳米之后又增加，并且在不同的锡化锰厚度保持着一个相对稳定的值。这表明锡化锰/铬中的电流引入翻转不是由界面效应（比如Rashba效应）引起，因为如果是这样更小的临界电流应该在更小的厚度下被观测到。另外，由于铬是反铁磁材料（尼尔温度为310K），为了排除其反铁磁特性产生自旋电流的可能性，我们在180K-400K测试了电流引入翻转。由图2(c)所示，即使在温度远高于310K时，锡化锰/铬仍然展现了很高的翻转比率。这表明锡化锰/铬中的自旋电流并不是由铬的反铁磁序产生。

图2. 翻转比率和临界电流密度随 (a) 铬厚度和 (b)锡化锰厚度的变化。(c) 锡化锰/铬的反常霍尔电阻率和翻转比率随温度的变化。

为了检验这个现象是不是也存在于普通的铁磁材料中，我们还检测了铬/钴铁硼等对照样品的电流引入翻转。图3(a)展示了生长在不同金属层上的钴铁硼的反常霍尔效应磁滞回线。如图3(b)所示，铬/钴铁硼也表现出了明显的电流引入翻转。同锡化锰/铬一样，铬/钴铁硼的翻转极性和钽/钴铁硼一样而和铂/钛/钴铁硼相反，这表明由铬产生的自旋电流的自旋霍尔角度为负。然而如前所述，铬为轻金属，其自旋霍尔效应应该非常弱。所以以上现象应该归因于铬中强大的轨道霍尔效应（图3(c)）。

图3. (a) 不同结构中的钴铁硼的反常霍尔效应曲线。(b)不同结构中的钴铁硼的电流引入翻转曲线。（c）铬中轨道霍尔效应引入自旋电流的示意图。

为了进一步理解基于铬的结构中的电荷-自旋转换机制，我们还通过太赫兹发射测量检验了其反过程，即自旋-电荷转换。图4(a)和4(b)展示了钴铁硼/铬中随各层厚度变化的太赫兹发射波形，从中提取出来的随厚度变化的信号幅度展示在图4(c)和4(d)。通过对太赫兹幅度进行随厚度相关的拟合，我们能得到铬的扩散长度为11纳米，这远大于重金属中的扩散长度（通常为1-2纳米）。同时我们还发现钴铁硼/铬的太赫兹强度比钴铁硼/铂的强度小一个数量级，这表明钴铁硼/铬的自旋-电荷转换效率非常低。这一点进一步由自旋霍尔磁阻转角测量支持。由图4(e)所示，zy面扫描下的磁阻对应了铁磁/重金属结构中的自旋霍尔磁阻，在这里考虑到其来源是轨道霍尔效应，我们称其为轨道霍尔磁阻。由图4(f)的比较我们可以得知铬/钴铁硼中的轨道霍尔磁阻比钽/钴铁硼和铂/钴铁硼中的自旋霍尔磁阻小一个数量级。因此，太赫兹和轨道霍尔磁阻测量都表明铬中自旋电流的产生不是来源于自旋霍尔效应，因为如果是这样铬/铁磁中的自旋-电荷转换理应也和重金属/铁磁中的一样高效。我们的实验结果说明轨道霍尔效应和自旋霍尔效应在电荷-自旋相互转换过程中存在着很大区别。前者需要一个额外的轨道电流-自旋电流的转换过程（图4(g)），这也解释了为什么铬/铁磁结构中自旋-电荷转换效率很低。

图4. (a) 在不同钴铁硼厚度下的钴铁硼/铬中产生的太赫兹波形。(b) 在不同铬厚度下的钴铁硼/铬中产生的太赫兹波形。(c)-(d) 不同钴铁硼和铬厚度下的太赫兹强度。（e）铬/钴铁硼的角度相关的磁阻。（f）钴铁硼在不同结构中的轨道（自旋）霍尔磁阻大小比较。(g) 铁磁/铬双层结构中的太赫兹产生的示意图。

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