Spin Hall magnetomotstånd

Spin Hall magnetoresistance (SMR) är ett transportfenomen som finns i vissa elektriska ledare som har minst en yta i direkt kontakt med ett annat magnetiskt material på grund av förändringar i spinnströmmen som finns i metaller och halvledare med stor spin Hall-vinkel . Det är lättast att upptäcka när det magnetiska materialet är en isolator som eliminerar andra magnetiskt känsliga transporteffekter som uppstår från ledning i det magnetiska materialet.

Ursprung

Spin Hall magnetoresistens är ett av många sätt på vilket det elektriska motståndet hos ett material påverkas av spin Hall-effekten. En elektron som rör sig genom en ledare sprids av spin Hall-effekten i en riktning som bestäms av dess spinnorientering som inducerar en nettoackumulering av spinn vid ledarkanten. De spinnpolariserade elektronerna vid ledarytan kan interagera med magnetiseringen av ett magnetiskt material i omedelbar närhet genom ett spin-överföringsmoment . När ledningselektronernas spinn är inriktade parallellt med magnetiseringsriktningen reflekteras elektronen från ledarytan utan någon förändring i dess spinn, men när det finns en komponent av magnetiseringen som är vinkelrät mot spinnriktningen kan spinnet vändas till dess motsatta tillstånd överför rörelsemängd till det magnetiska materialet. Detta resulterar i en spinnström som rör sig med en normal till laddningsströmmens riktning som kan ändras genom att ändra magnetiseringsriktningen. Denna spinnström avböjs genom den inversa spinn Hall-effekten som adderar eller subtraherar från elektronernas rörelsemängd i laddningsströmmens riktning beroende på storleken och tecken på ledarnas spin Hall-vinkel. Denna avböjning ger ett tillägg till ledarnas resistivitet, vilket gör att spinnströmmen kan uppskattas genom förändringen i den elektriska resistiviteten.

Beskrivning

För att konstruera en enhet som uppvisar spin Hall-magnetoresistans, behövs ett flerskikt av ledare och magnetiskt material. Platina används vanligtvis som en ledare på grund av sin stora spinn Hall-vinkel och YIG används som ett magnetiskt material med ledaren avsatt på toppen med ett rent gränssnitt. Magnetiseringen av YIG kan roteras av ett applicerat magnetfält som är tillräckligt starkt för att mätta det, vilket resulterar i en förändring i ledarnas resistivitet. Omfattningen av den observerade resistansförändringen beror på ledarnas spinn Hall-vinkel och förhållandet mellan spindiffusionslängden och det ledande materialets tjocklek. Eftersom de flesta spindiffusionslängder är korta är effekten endast signifikant i material som bara är flera nanometer tjocka.

Vinkelberoende

En av signaturerna för spin Hall-magnetoresistansen är att förändringen i resistans observeras när magnetiseringen av isolatorn roteras i förhållande till spinnaxeln och inte till laddningsströmmens riktning som ses i anisotrop magnetoresistans. Förändringen i resistivitet följer ett kvadratiskt sinusvågmönster när magnetiseringsvektorn roteras runt en axel som har en komponent vinkelrät mot spinnaxeln. Platina har observerats ha maximala resistivitetsförändringar på upp till 0,12 %.

Temperaturberoende

I platina visar sig den maximala resistansförändringen nå ett maximum vid cirka 120K för alla tjocklekar

Ansökningar

På grund av rotationsöverföringsvridmomentet vid gränssnittet mellan ledaren och magneten, kan en spinnström injiceras från metallen in i isolatorn. Detta möjliggör nya spintronicsexperiment för att undersöka möjligheten att sända spinninformation genom en isolator som skulle ha fördelen av ingen effektförlust på grund av Joule-uppvärmning .