IrO$_2$における非従来型スピンホール効果と反対称平面ホール効果の共存

Centrala begrepp

IrO$_2$（111）薄膜において、非従来型スピンホール効果と反対称平面ホール効果の共存が確認され、結晶対称性がこれらの効果に重要な役割を果たすことが示唆された。

Sammanfattning

IrO$_2$薄膜におけるスピンホール効果と平面ホール効果に関する研究論文サマリー

書誌情報

Yang, Y. et al. Coexistence of unconventional spin Hall effect and antisymmetric planar Hall effect in IrO$_2$. [論文誌名], [巻号], [ページ番号] ([発行年]).

研究目的

本研究は、IrO$_2$薄膜における非従来型スピンホール効果と反対称平面ホール効果の共存を調査し、その起源を明らかにすることを目的とした。

方法

• 分子線エピタキシー法を用いて、TiO$_2$（111）基板上にエピタキシャルIrO$_2$（111）薄膜を作製した。
• IrO$_2$（111）/CoFeBヘテロ構造を作製し、スピントルク強磁性共鳴（ST-FMR）測定によりスピンホール効果を評価した。
• ホールバー構造を作製し、高調波ホール測定により平面ホール効果を調査した。
• 結晶対称性に基づいて、観察された現象の理論的な解析を行った。

主な結果

• ST-FMR測定により、IrO$_2$（111）薄膜から生成されるスピン流に、従来のYスピンに加えて、XスピンとZスピンが存在することが明らかになった。特に、Xスピンのスピントルク効率は、従来の報告よりも2倍以上高いことがわかった。
• 高調波ホール測定により、IrO$_2$（111）薄膜において、対称平面ホール効果（SPHE）と反対称平面ホール効果（APHE）の両方が観察された。APHEは、磁場に対して線形な依存性を示し、温度に依存しないことから、ローレンツ力に起因すると考えられる。一方、SPHEは、温度依存性を示し、磁場に対して複雑な依存性を示した。
• 対称性解析の結果、IrO$_2$（111）の低い結晶対称性により、USHEとAPHEの両方が許容されることが示唆された。

結論

本研究は、IrO$_2$（111）薄膜において、USHEとAPHEの共存を実験的に初めて実証した。これらの効果は、IrO$_2$（111）の低い結晶対称性に起因すると考えられる。本研究の成果は、スピントロニクスにおける新規材料探索やデバイス応用に貢献すると期待される。

意義

本研究は、IrO$_2$（111）薄膜におけるUSHEとAPHEの共存を明らかにしただけでなく、結晶対称性がこれらの効果に重要な役割を果たすことを示唆した。これは、スピントロニクスデバイスの開発に向けた材料設計において重要な知見となる。

制限と今後の研究

本研究では、IrO$_2$（111）薄膜のみに焦点を当てた。他の材料系におけるUSHEとAPHEの共存を調査することで、これらの効果の起源に関するより深い理解が得られる可能性がある。

Statistik

IrO$_2$（111）薄膜から生成されるXスピンのスピントルク効率は、従来の報告よりも2倍以上大きかった。
IrO$_2$（111）薄膜の室温における電荷抵抗率は70 μΩ cmであった。
ST-FMR測定から得られたスピンホール伝導率は、𝜎𝜎𝐷𝐷𝐷𝐷𝑋𝑋 = 2.12 × 10^4 ℏ/2e (Ωm)^-1、𝜎𝜎𝐷𝐷𝐷𝐷𝑌𝑌 = 1.32 × 10^5 ℏ/2e (Ωm)^-1、𝜎𝜎𝐷𝐷𝐷𝐷𝑍𝑍 = 1.48 × 10^3 ℏ/2e (Ωm)^-1と推定された。

Citat

"Although both USHE and APHE are closely related to the crystal symmetry, the coexistence of these effects has not yet been experimentally demonstrated."
"Symmetry analysis confirms the coexistence of USHE and APHE in IrO2 (111) and suggests the potential interplay between USHE and APHE, opening the route for further understanding of the two effects and exploration of new materials with the two features."

Viktiga insikter från

Coexistence of unconventional spin Hall effect and antisymmetric planar Hall effect in IrO$_2$

by Yifei Yang, ... på arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05688.pdf

Djupare frågor

IrO$_2$以外の材料系で、USHEとAPHEの共存は観察されるだろうか？

IrO$_2$以外にも、USHEとAPHEの共存が観察される可能性は十分にあります。本論文では、これらの効果の出現に結晶対称性が重要な役割を果たしていることを示しており、特に低い対称性を持つ物質において、両方の効果が発現する可能性を示唆しています。
具体的には、以下の点に注目する必要があります。

低い結晶対称性: IrO$_2$ (111)は鏡面対称性が一つしかないことが、USHEとAPHEの両方を可能にする要因となっています。従って、同様の低い対称性を持つ物質、例えば、特定の結晶方位を持つ遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）や、対称性の低い結晶構造を持つ物質などが候補として考えられます。
バンド構造: IrO$_2$はディラック節線半金属であり、バンド構造におけるバンド反交差が大きなスピンホール伝導度に寄与していると予測されています。同様のバンド構造を持つ物質、例えば、ワイル半金属や他のディラック物質なども、USHEとAPHEの共存を示す可能性があります。
上記のような物質群を探索することで、IrO$_2$以外の材料系においてもUSHEとAPHEの共存が発見される可能性は十分に考えられます。

APHEの起源がローレンツ力だけだとすると、SPHEの複雑な温度依存性と磁場依存性はどのように説明できるのだろうか？

APHEの起源がローレンツ力であるという前提において、SPHEの複雑な温度依存性と磁場依存性は、物質中の伝導キャリアの散乱機構やバンド構造の変化によって説明できる可能性があります。

散乱機構: SPHEは、伝導キャリアと不純物やフォノンとの散乱に影響を受けます。温度変化に伴い、これらの散乱機構の寄与が変化することで、SPHEの温度依存性が複雑になる可能性があります。例えば、低温では不純物散乱が支配的となり、高温ではフォノン散乱が支配的になるといった変化が考えられます。
バンド構造の変化: 温度変化は、物質のバンド構造にも影響を与える可能性があります。例えば、熱膨張による格子定数の変化や、電子-フォノン相互作用によるバンド構造の変化などが考えられます。これらの変化は、伝導キャリアの有効質量や移動度、ベリー曲率などに影響を与え、結果としてSPHEの温度依存性を複雑にする可能性があります。
また、磁場依存性については、以下のような説明が考えられます。

高磁場領域における線形依存性: 高磁場領域においてSPHEが線形になる現象は、ディラック半金属において理論的に予測されており、本論文でもその傾向と一致しています。これは、ディラック点近傍における線形分散関係を持つキャリアの寄与が、高磁場領域で顕著になるためと考えられます。
低磁場領域における非線形依存性: 低磁場領域におけるSPHEの非線形依存性は、伝導キャリアの散乱機構やバンド構造の非線形な応答によって説明できる可能性があります。
これらの要因が複合的に作用することで、SPHEは複雑な温度依存性と磁場依存性を示すと考えられます。

USHEとAPHEの共存を利用した新しいスピントロニクスデバイスはどのようなものが考えられるだろうか？

USHEとAPHEの共存は、従来のスピントロニクスデバイスの性能向上や、新しい機能を持つデバイスの実現に繋がる可能性を秘めています。
例えば、以下のようなデバイスが考えられます。

高効率な磁化反転デバイス: USHEによって生成される面外スピン流は、垂直磁化膜の磁化反転を効率的に行うことができます。APHEは、電流と磁場の両方に対して感度を持つため、これらの信号を利用することで、磁化状態の電気的な読み出しを高感度化できる可能性があります。
多値メモリデバイス: APHEは、磁場の方向に対して正負の信号を示すため、これを利用することで、一つの素子で複数の磁化状態を表現する多値メモリデバイスへの応用が期待できます。USHEによって磁化状態を制御し、APHEによって状態を読み出すことで、高密度化、低消費電力化が期待できます。
磁気センサ: APHEは、微小な磁場変化に対して感度を持つため、高感度な磁気センサへの応用が考えられます。USHEを利用することで、センサの感度や検出方向を制御できる可能性もあります。
これらのデバイスはほんの一例であり、USHEとAPHEの共存を利用することで、更に多くの新しいスピントロニクスデバイスが実現する可能性があります。