新加坡國立大學Nano Letters：鉻中軌道霍爾效應引起的高效非線性反鐵磁狀態翻轉

論文相關信息：

第一作者（或者共同第一作者）：?????謝航?????

通訊作者（或者共同通訊作者）：?????吳義宏?????????

通訊單位：?新加坡國立大學電子與計算機工程學院?

論文DOI：?https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02797 ???????????????

【背景介紹】

最近非線性反鐵磁因其強大的反常霍爾效應能解決傳統線性反鐵磁難于信號讀出的問題而吸引了廣泛的研究興趣。以電方法來控制反鐵磁狀態的實現成為將非線性反鐵磁用于器件研究的重要一步。目前大多數研究仍然在使用反鐵磁/重金屬的雙層結構來實現自旋軌道矩引入的磁化翻轉。為了進一步理解非線性反鐵磁的翻轉機制并減小其翻轉電流，很有必有進一步探索除了自旋霍爾效應和自產生的自旋電流的其它的自旋電流來源，而軌道霍爾效應就是一種可以用來翻轉鐵磁狀態的新興方法。目前軌道霍爾效應和非線性反鐵磁的結合還沒有被報道過。

【研究出發點】

近日，新加坡國立大學吳義宏教授在Nano Letters發表研究論文“Efficient non-collinear antiferromagnetic state switching induced by orbital Hall effect in chromium”。該論文演示了以3d過渡金屬鉻作為自旋電流來源而有效地對三錫化錳的非線性反鐵磁狀態進行電操控。其效率和基于重金屬的結構相當。然而，太赫茲發射和自旋霍爾磁阻測試結果表明基于鉻的鐵磁結構中的自旋到電荷轉換效率卻遠比重金屬低。這些結果表明鉻中的自旋-電荷相互轉換機制不同于重金屬中的自旋霍爾效應，而是源于軌道霍爾效應。這項工作提供了一種電操控反鐵磁自旋態的方法和一種區分輕金屬中自旋霍爾效應和軌道霍爾效應的策略。

【圖文解析】

圖1(a)展示了實驗中用到的層狀結構。錫化錳薄膜由磁控濺射生長。不同的非磁性金屬層在錫化錳退火之后生長以避免相互擴散。圖1(b)是60納米錫化錳的XRD圖案，從中我們可以看到多峰，表明錫化錳多晶的特性。由圖1(c)所示，不同結構中錫化錳的反常霍爾效應曲線有著相似的矯頑力和形狀，表明其磁特性沒有受到上層金屬的太大影響。圖1(d)展示了錫化錳在不同結構中的電流引入翻轉曲線。錫化錳/鉭和錫化錳/鉑有著明顯的電流引入翻轉，除此之外，錫化錳/鉻也表現出了明顯的電流引入翻轉，即使鉻的自旋霍爾效應非常微弱。值得注意的是，錫化錳/鉻的翻轉極性和錫化錳/鉭相同而和錫化錳/鉑相反。圖1(e)總結了錫化錳在不同結構中的翻轉比率。在錫化錳和鉻之間插了一層氧化鎂后，翻轉比率明顯減小，從而排除了自引入翻轉主導的可能。

圖1. (a)所研究的樣品層狀結構。(b)三錫化錳的薄膜的XRD圖案。(c)三錫化錳隨場變化的霍爾電阻。(d)三錫化錳隨電流變化的霍爾電阻。(e)三錫化錳在不同結構中的翻轉比率。

為了進一步探究錫化錳/鉻中電流引入翻轉的機制，我們系統改變了鉻和錫化錳的厚度，并在不同溫度下測量了電流引入翻轉。圖2(a-b)分別展示了錫化錳/鉻在不同鉻厚度和錫化錳厚度下的翻轉比率和臨界電流。總體而言，在整個鉻和錫化錳的厚度變化范圍內翻轉比率都保持著較高的水平并且沒有一個特定的趨勢，而臨界電流則隨著鉻厚度增加先減小然后在6納米之后又增加，并且在不同的錫化錳厚度保持著一個相對穩定的值。這表明錫化錳/鉻中的電流引入翻轉不是由界面效應（比如Rashba效應）引起，因為如果是這樣更小的臨界電流應該在更小的厚度下被觀測到。另外，由于鉻是反鐵磁材料（尼爾溫度為310K），為了排除其反鐵磁特性產生自旋電流的可能性，我們在180K-400K測試了電流引入翻轉。由圖2(c)所示，即使在溫度遠高于310K時，錫化錳/鉻仍然展現了很高的翻轉比率。這表明錫化錳/鉻中的自旋電流并不是由鉻的反鐵磁序產生。

圖2.?翻轉比率和臨界電流密度隨?(a) 鉻厚度和?(b) 錫化錳厚度的變化。(c) 錫化錳/鉻的反常霍爾電阻率和翻轉比率隨溫度的變化。

為了檢驗這個現象是不是也存在于普通的鐵磁材料中，我們還檢測了鉻/鈷鐵硼等對照樣品的電流引入翻轉。圖3(a)展示了生長在不同金屬層上的鈷鐵硼的反常霍爾效應磁滯回線。如圖3(b)所示，鉻/鈷鐵硼也表現出了明顯的電流引入翻轉。同錫化錳/鉻一樣，鉻/鈷鐵硼的翻轉極性和鉭/鈷鐵硼一樣而和鉑/鈦/鈷鐵硼相反，這表明由鉻產生的自旋電流的自旋霍爾角度為負。然而如前所述，鉻為輕金屬，其自旋霍爾效應應該非常弱。所以以上現象應該歸因于鉻中強大的軌道霍爾效應（圖3(c)）。

圖3. (a) 不同結構中的鈷鐵硼的反常霍爾效應曲線。(b)不同結構中的鈷鐵硼的電流引入翻轉曲線。（c）鉻中軌道霍爾效應引入自旋電流的示意圖。

為了進一步理解基于鉻的結構中的電荷-自旋轉換機制，我們還通過太赫茲發射測量檢驗了其反過程，即自旋-電荷轉換。圖4(a)和4(b)展示了鈷鐵硼/鉻中隨各層厚度變化的太赫茲發射波形，從中提取出來的隨厚度變化的信號幅度展示在圖4(c)和4(d)。通過對太赫茲幅度進行隨厚度相關的擬合，我們能得到鉻的擴散長度為11納米，這遠大于重金屬中的擴散長度（通常為1-2納米）。同時我們還發現鈷鐵硼/鉻的太赫茲強度比鈷鐵硼/鉑的強度小一個數量級，這表明鈷鐵硼/鉻的自旋-電荷轉換效率非常低。這一點進一步由自旋霍爾磁阻轉角測量支持。由圖4(e)所示，zy面掃描下的磁阻對應了鐵磁/重金屬結構中的自旋霍爾磁阻，在這里考慮到其來源是軌道霍爾效應，我們稱其為軌道霍爾磁阻。由圖4(f)的比較我們可以得知鉻/鈷鐵硼中的軌道霍爾磁阻比鉭/鈷鐵硼和鉑/鈷鐵硼中的自旋霍爾磁阻小一個數量級。因此，太赫茲和軌道霍爾磁阻測量都表明鉻中自旋電流的產生不是來源于自旋霍爾效應，因為如果是這樣鉻/鐵磁中的自旋-電荷轉換理應也和重金屬/鐵磁中的一樣高效。我們的實驗結果說明軌道霍爾效應和自旋霍爾效應在電荷-自旋相互轉換過程中存在著很大區別。前者需要一個額外的軌道電流-自旋電流的轉換過程（圖4(g)），這也解釋了為什么鉻/鐵磁結構中自旋-電荷轉換效率很低。

圖4. (a) 在不同鈷鐵硼厚度下的鈷鐵硼/鉻中產生的太赫茲波形。(b) 在不同鉻厚度下的鈷鐵硼/鉻中產生的太赫茲波形。(c)-(d) 不同鈷鐵硼和鉻厚度下的太赫茲強度。（e）鉻/鈷鐵硼的角度相關的磁阻。（f）鈷鐵硼在不同結構中的軌道（自旋）霍爾磁阻大小比較。(g) 鐵磁/鉻雙層結構中的太赫茲產生的示意圖。

該論文的第一作者為新加坡國立大學電子與計算機工程學院研究員謝航博士，通訊作者為新加坡國立大學吳義宏教授。課題組今年來聚焦反鐵磁結構里的自旋電荷相互轉換，和基于自旋軌道矩的磁性傳感器及其在位置探測和生物醫學等領域上的應用。