Dzyaloshinskii-Moriya interaction in Pt /Co /NM trilayer systems : beyond the interfacial perspective

박용근 서울대학교 대학원 2020 국내박사

반전 대칭성이 깨진 자성 박막 구조에서 스핀들의 chiral 구조를 발현시켜주는 역할 때문에 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 충분히 큰 DMI는 자구벽이 특정한 chirality를 가지게 하는데, 이는 스핀 궤도 토크 (SOT)에 의한 자구벽 이동에서 중요한 요소이다. 그리고 DMI가 클수록 자구벽 이동 속도의 최대값이 증가하는 것으로 알려졌다. 더욱이, 충분히 큰 DMI는 magnetic skyrmion이 만들어지는 데 중요한 역할을 하는데, 이것은 racetrack memory나 논리소자로 응용될 수 있다. 그러므로, DMI 제어 역시 이 분야에서 중요하다. DMI에 대한 초기 연구는 I. Dzyaloshinskii와 T. Moriya에 의해 1960년에 제시된 three-site atomic super-exchange interaction으로 반강자성 산화물에서 수행되었다. 이후 A. Fert와 P.M. Levy가 1980년에 spin-orbit scattering으로 금속 물질에서 conduction-electron-mediated DMI 메커니즘이 제시되고부터, DMI가 conduction-electron-mediated 현상과 관련이 있음을 보여주는 연구들이 최근에 진행되고 있다. 따라서 DMI에 대한 더 깊은 연구들이 진행되었지만, 여전히 DMI의 정확한 메커니즘이나 DMI에 가장 결정적인 파라메터가 무엇인지에 대해서는 논란이 있다. 자성 다층 박막에서 DMI에 대해 가장 널리 받아들여지는 개념은 DMI가 계면효과라는 점이다. 그러므로 DMI에 대한 연구는 주로 계면 상태 쪽으로 집중되었고, 따라서 DMI를 극대화시키는 시도들은 주로 계면 상태를 바꾸어주거나 계면을 이루는 물질을 바꾸는 식으로 진행되었다. 하지만, 만약 DMI가 온전히 계면 효과로만 이해되며 또한 그런 경향을 보인다면, DMI를 제어하는 데는 제한된 방법 밖에 없을 것인데, DMI 크기는 오로지 계면에서만 정해지며, 그 계면은 오직 2개뿐이기 때문이다. 게다가, DMI는 spin-orbit coupling (SOC) 세기에 비례하는 것으로 알려져 있어서, SOC가 큰 것으로 알려진 일부 중금속에 대해서만 주로 DMI가 연구되고 있다. 우리는 DMI에 대한 이해를 증진시키고 앞의 한계들을 극복하며 DMI를 제어하는 새로운 방향을 제시하기 위한 연구들을 진행했다. Chapter 1에서, 본 연구와 연관된 기본적인 자성 물리, 알려진 DMI 메커니즘, 그리고 DMI 측정법에 대해 설명하였다. 모든 chapter에서 사용한 DMI 측정방법은 동일하므로, 자세한 DMI 측정 방법은 chapter 1에서 설명하며 각 chapter에서의 DMI 측정은 간단하게만 설명하였다. Chapter 1이후, trilayer 구조의 샘플에서 각 요소들을 바꾸어주며 DMI 연구를 진행했다. Chapter 2, 3, 4에서 DMI의 비자성물질 의존성, 자성층 두께 의존성, 그리고 비자성층 두께 의존성을 각각 연구한 결과를 제시했다. Chapter 2, 3, 4는 주로 DMI의 물리적인 부분에 대한 연구인 반면, Chapter 5는 DMI 제어를 통한 효율적 자성 소자 동작을 위한 응용 연구이다. Chapter 2에서, Pt/Co/X trilayer 샘플에서 DMI에 가장 결정적인 파라메터로써 일함수를 발견했다. 그리고 DMI와 일함수의 연관관계에 대한 메커니즘 등에 대한 논의를 진행했다. Chapter 2 이후로는, 대부분의 연구는 Pt/Co/W, Pt/Co/Cu trilayer구조에 대해 집중적으로 연구를 진행했다. Chapter 3에서, Pt/Co/W, Pt/Co/Cu/W trilayer구조에서 DMI의 Co 두께 경향이 자성층 두께의 반비례성에서 벗어나는 점을 보였다. 보통 DMI는 자성층 두께의 반비례 의존성을 보이는 것으로 예상되지만, 우리는 실험으로 DMI의 완전한 발현에는 자성층의 critical thickness가 존재함을 발견했다. DMI의 경우와는 다르게, SOT의 경우 전 Co 두께 영역에서 자성층 두께의 반비례 의존성을 보임을 확인했다. DMI와 SOT의 이런 차이점으로부터 계면 효과로 알려진 현상은 실제로 그 현상의 기원에 따라 구체적인 자성층 두께 경향이 달라질 수 있음을 알 수 있다. Chapter 4에서, Pt/Co/Cu trilayer 구조에서 Cu 두께가 증가함에 따라 DMI oscillation함을 발견했다. 이 oscillation 주기를 Cu의 박막 성장 방향과 더불어 양자 우물 효과와도 연관된 다른 현상인 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) 상호작용과 비교를 하기 위해, Co/Cu/(Pt)/Co 스핀 벨브 구조에서 RKKY 상호작용의 측정도 진행했다. 이로부터, DMI oscillation은 Cu 층 내부의 양자 우물 현상과 관련이 있음을 추론하였다. Chapter 5에서, 샘플의 열적 안정성의 향상과 자화 반전 전류의 감소를 동시에 실현하는 시도를 진행했다. 보통 이 둘을 동시에 달성하는 것은 어려운 것으로 알려져있는데, Pt/Co/Pt trilayer 샘플에서 Co/Pt 계면에 Cu를 아주 얇게 삽입하여 이 둘을 동시에 실현할 수 있음을 보였다. Cu 층 삽입의 가장 중요한 결과는 PMA크기와 DMI크기의 동시적인 증가이다. PMA 크기의 증가는 주로 열적 안정성의 증대로 연결되고, DMI 크기의 증가는 주로 자화 반전 전류 감소로 연결됨을 보였다. Chapter 6에서, 학위 기간 동안 연구한 결과들로부터의 전망을 제시했다. DMI가 conduction electron-mediated 현상과 관련이 있다는 점을 기반으로 한 우리의 주요한 발견은 다층 자성 박막에서 DMI에 대한 이해를 증진시키며, 그리고 기존 방법들의 한계들을 극복하여 DMI를 제어하는 새로운 방향을 제시하였다. Extensive efforts have been made to understand the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) owing to its peculiar properties for realizing chiral spin structures in magnetic systems with broken inversion symmetry. A sizeable DMI generates an inbuilt chirality of magnetic domain walls (DWs), which is essential for current-induced DW motion via spin orbit torques (SOTs). The ultimate speed of the DW motion has been revealed to be governed by DMI strength. Moreover, a sizeable DMI is an essential component in generating magnetic skyrmions, which can be used in high-density digital technologies for racetrack memory and logic devices. Therefore, DMI engineering is also important to this field in its attempts toward large DMIs. Early studies of the DMI were conducted in an antiferromagnetic oxide system understood by three-site atomic super-exchange interaction, established by I. Dzyaloshinskii and T. Moriya in 1960. The conduction electron-mediated DMI mechanism in metallic systems was suggested by A. Fert and P.M. Levy by means of spin-orbit scattering in 1980, and recent research has suggested that the DMI is linked with conduction electron-related phenomena in metallic systems. Therefore, numerous efforts have been devoted to understanding the underlying physics of DMIs, although the most significant parameters and mechanisms for DMI are still under debate. The commonly accepted concept for DMIs in multilayer systems is that the DMI is an interfacial effect. Therefore, interest in the DMI has been primarily focused on interfaces, and many attempts at enlarging the DMI strength have been conducted by engineering the interface conditions, changing the materials adjacent to the ferromagnetic layer, and inserting thin layers at interfaces. However, if DMI is understood and realized simply as an interfacial effect, there will be limited ways of increasing its strength because the strength of the DMI may be determined by only the relevant properties of the materials that form the interface, and there are only two interfaces sitting adjacent to the ferromagnetic layer. In addition, the most popularly employed materials for DMIs are certain heavy metals, because it has been understood that the DMI strength is related to the spin-orbit coupling strength. We conducted studies to further understand the DMI and to discover and suggest new directions for DMI engineering, with the goal of eventually overcoming the limit. In Chapter 1, we introduce the basic physics of ferromagnetism, the suggested mechanism for DMIs, and the measurement techniques employed. The measurement techniques for DMIs are the same for each chapter, and therefore a detailed introduction of these techniques is given in Chapter 1, with the method explained briefly in each subsequent chapter. Following Chapter 1, the DMI, according to the change of each part in a trilayer system is studied. In Chapters 2, 3, and 4, non-magnetic material dependence, ferromagnetic layer thickness dependence, and non-magnetic layer thickness dependence of the DMI are investigated and presented, respectively. While the research in Chapters 2, 3, and 4 mainly examine the physical aspects of DMIs, the research in Chapter 5 attempts to achieve efficient device applications through DMI engineering. In Chapter 2, the most decisive parameter in the DMI, the work function of non-magnetic metal, is found for the Pt/Co/X trilayer system. The inferred mechanism and the relationship between the work function and the DMI is discussed. After the investigations in Chapter 2, further research mainly focuses on Pt/Co/W and Pt/Co/Cu systems, because of the peculiar properties in these systems. Detailed research and discussions are presented in Chapters 3–5. In Chapter 3, it is shown that the DMI trend, with respect to Co thickness, derives from an inverse proportionality to the Co thickness in Pt/Co/W and Pt/Co/Cu/W systems. Conversely, it has been typically expected that interfacial phenomena follow trends of inverse proportionality to the ferromagnetic layer thickness, but our measurement data suggests that there exists a critical Co thickness for the full emergence of DMI, which is inferred via the derivation from the inverse proportionality. Unlike the DMI, the strength of the SOT generated by the spin Hall effect in the non-magnetic metal layer is inversely proportional to the Co thickness. This difference between the DMI and SOT suggests that the origin of the interfacial effect is important for understanding the DMI’s tendencies in relation to Co thickness. In Chapter 4, it was found that the DMI has an oscillating tendency with respect to the Cu thickness in a Pt/Co/Cu trilayer system. To analyze the DMI oscillation period with respect to the Cu orientation, and to compare this with the oscillations of similar samples and phenomena in quantum well states, the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida interaction is also measured in Co/Cu/(Pt)/Co spin valve systems. From this, it was inferred that the DMI oscillation can be linked to the quantum well state in Cu. In Chapter 5, from the research results for Cu, attempts were made to simultaneously increase the thermal stability and reduce the magnetization switching current density. It is understood that it is typically difficult to satisfy both at the same time. By inserting an ultrathin Cu layer at the Co/Pt interface in Pt/Co/Pt trilayers, it was possible to accomplish these simultaneously. The most important result of the Cu layer insertion was the simultaneous increase of perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and DMI. It was confirmed that the increase of thermal stability resulted from the increase of PMA, and that the decrease of switching current density resulted from the increase of DMI. In Chapter 6, the outlook of the results introduced in this thesis is suggested. Our main findings in this thesis—based on the fact that DMI will be affected by conduction electrons-mediated effects—provide further physical understanding of DMI, and suggest possible new directions for DMI engineering for magnetic trilayer and multilayer systems.

Spintronic devices based on gate controlled spin-orbit interactions

박윤호 Graduate School, Yonsei University 2017 국내박사

기존의 반도체 소자는 물리적 한계에 도달하여 공정의 문제점이 발생하고 있다. 그에 따라 새로운 개념의 차세대 소자가 가 필요한데 그 중 한가지로 각광 받는 것이 스핀트로닉스 분야 이다. 스핀트로닉스는 전자와 스핀의 정보를 모두 제어 함으로 써 더 빠르고, 비휘발성의 소자를 구현 할 수 있을 것이라 기대되고 있다. 그 중 S. Datta와 B. Das가 제안한 Spin-Field Effect Transistor는 강한 스핀궤도결합을 가지는 채널에서 스핀의 정보를 제어함으로써 구현할 수 있다. 강한 스핀궤도결합의 대표로는 라쉬바 효과가 있다. 라쉬바 효과는 전장이 형성된 채널에 전자가 이동하면서 생기는 라쉬바 필드로 스핀 분극된 전자가 만들어지는 것을 말한다. 우리는 이 라쉬바 필드를 강자성체를 이용하여 150K까지 측정하였으며, n-타입의 반도체 채널뿐 아니라 아직 많이 연구 되지 않는 p-타입 채널의 라쉬바 스핀궤도 상수를 측정하였다. 또한 게이트의 의한 라쉬바 스핀궤도결합상수의 변화를 관찰하고, 이를 통해 상호보안 필드 효과트랜지스터를 디자인하였다. 보통 반도체에는 또 다른 스핀궤도결합이 있는데 그것을 드레슬하우스 스핀궤도 결합상수이다. 이 것은 zinc-blende 구조에나오는 비대칭 격자 상수에 의해 발생되고, 아직까지 정량적으로 연구가 활발히 되이 않고 있는 분야이다. 우리는 InAs HEMT 구조에서 라쉬바와 드레슬하우스효과를 전기적으로 분해하여 측정하는 것에 성공하였으며, 게이트의 의한 변화량 또 한 관찰하였다. 그 결과 라쉬바 스핀궤도 결합 상수는 게이트에 따라 변화하지만 드레슬하우스 스핀궤도결합상수는 변화하지 않는 것을 알 수 있었다. 이를 이용하여, 우리는 격자 방향에 따른 상호보안 필드효과 트랜지스터를 디자인하고 시뮬레이션을 하였다. 기존에 보고된 스핀트랜지스터는 강자성체를 이용하여, 외부자장이 필요하고, 또한 강자성체는 도핑을 통한 n- 혹은 p-도핑을 하지 못하여 상호보안필드트랜지스터를 만들지 못한 단점이 있었다. 따라서 우리는 exchanged-bais field를 이용하여 외부자장 없이 두개의 강자성체를 평행한 스핀 트랜지스터와 반평형한 스핀 트랜지스터를 구현하였고, 이를 통하여 게이트의 의한 거동이 반대가 되게 만들었다. 이는 기존 도핑을 통한 상호보안트랜지스터와 같은 원리가 가능하여 스핀트랜지스터도 상호보안로직소자를 만들수있는 실험적 증거를 제시하였다. 그 실험적 증거를 통해 상호보안 NOR게이트와 NAND게이트를 구현하는데 성공하였다. 최근 라쉬바효과보다 더큰 이론적으론 100%로 분극된 위상절연체가 새로운 스핀트로닉스 채널로 각광 받고있다. 위상절연체는 내부는 절연체지만 표면에는 채널이 형성되어 있으며, 이 채널은 스핀업과 다운이 서로 반대방향으로 가는 100% 분극되는 성질을 가지고 있다. 하지만 아직 정량적인 이 분극된 크기를 나타내는 효과적인 내부자장을 검출은 아직 보고된바가 없다. 우리는 외부자장을 인가하며 저항을 검출하는 AMR측정을 통해 12.5T의 내부 유효 자장의 크기를 측정하는데 성공하였으며, 게이트를 통하여 10%의 유효자장의 크기를 변화되는 것을 검출하였다. Conventional semiconductor devices have already reached the physical limitations such as quantum phenomenon, technical problem and other reasons so the necessity of new concept devices with high-speed, miniaturization, mass storage is increasing. The spintronics is considered as a new paradigm to replace the conventional devices because of using both charge and spin. Spin-Field Effect Transistor (spin-FET) proposed by S. Datta and B. Das is one of the candidate for next generation devices because it potentially has high performance such as fast switching and non-volatile characteristic and it have huge information due to control not only charge of carriers but also spin. The main concept underlying the operation of spin-FET is that the control of spin-procession by spin-obit interaction. Rashba spin-obit interaction is very useful for developing spin-FET. Using the potentiometric geometry, a ferromagnetic electrode can detect the magnitude of Rashba spin splitting in a wide temperature range an n-type heterostructure with an InAs active layer. The spin-orbit interaction strength is proportional to the amplitude of potentiometric signal, so we can estimate the spin-orbit interaction parameter as a function of the gate voltage up to T = 150 K. The efficient gate controllability is clearly observed from 1.8 K to 150 K and the spin-orbit interaction parameter is modulated by 23% at 150 K. We have investigated the dependence of the Rashba spin-orbit interaction parameter on gate voltage using a p-type heterostructure with a GaSb active layer. If we employ both charge and spin properties at the same time, a device combining p- and n-type spin transistors could be used as a complementary logic device. In a semiconductor channel, spin-orbit interaction is divided into two terms, Rashba and Dresselhaus effects, which are key phenomena for modulating spin precession angles. The Rashba spin-orbit interaction effective field is always in the plane of the two-dimensional electron gas and perpendicular to the carrier wavevector but the direction of the Dresselhaus field depends on the crystal orientation. We have extracted the Rashba and Dresselhaus parameters separately from the crystal direction dependence of the SdH oscillation. In zinc-blende structure, the two terms have relative orientations for a given k-space direction so we can find the absolute values of the two parameters from the total spin-orbit interaction strength. We also confirmed that the only gate controllable parameter is the Rashba term. This method for the determination of the Rashba and Dresselhaus parameters is very straightforward, and is applicable to any structures. Thus, it should contribute to the development of spin devices that utilize spin-orbit interactions. In the InAs quantum well system investigated, the Dresselhaus term is just 5% of the Rashba term. The gate dependence of the oscillation patterns clearly shows that only the Rashba term is modulated by an external electric field. We investigated spin precession angles for various crystal orientations. For a channel length of 1 μm, the spin precession angle is 550° for the [110] direction and 460° for the [1−10] direction, respectively. This difference is due to the crystal orientation dependence of total spin-orbit interaction. Using the same quantum well structure with different crystal directions, we suggest a spin-based complementary logic device. In order to utilize the spin field effect transistor in logic applications, the development of two types of complementary transistors, which play roles of the n- and p-type conventional charge transistors, is an essential prerequisite. In this chapter, we demonstrated complementary spin transistors consisting of two types of devices, namely parallel and antiparallel spin transistors which play the roles of n- and p-MOS of the conventional CMOS technology. InAs based quantum well channels and exchange-biased ferromagnetic electrodes are utilized. To obtain an exchange biased ferromagnetic electrode, we fabricated Co84Fe16/Ir22Mn78 bilayers with a magnetic field. The exchange bias fields of +35.5 mT and −36.3 mT are obtained without any annealing process. In these spin transistors, the magnetization directions of the source and drain electrodes are parallel or antiparallel, respectively, depending on the exchange bias field direction. These results show the feasibility of the low power spin logic gates without a complicated doping process. We also experimentally realize a complementary inverter operation purely with spin transistors controlled by the gate voltage, without any additional n- or p-channel transistor. In real application, we had design Spin-based NAND and NOR gate simulation using conventional local geometry. At the surface of topological insulators, the polarized spins (up-and down-spin) must move on one side passing, which means that the up-spins (down-spins) flow on direction of + kx (− kx). So, the efficiency of polarization in TIs is almost 100 %, which is very interesting in the field of spintronics. Topological insulators is one of the candidate for developing nano spin device, due to prediction of almost 100% of spin polarization, which means that power consumption is very low and high possibility of room temperature operating spin device. Some papers the polarization of topological insulators detected by potential difference using ferromagnets up to room temperature. However, the effective magnetic field of TIs cannot still be investigated quantitatively. In this chapter, we studied the effective magnetic field of 3D-topological insulators using anisotropic magnetoresistance (AMR) measurement. Ca-doped Bi2Se3 3D-topological insulators were utilized for avoiding native n-type doping. We calculated 12.56 T of the HTI and about 10% of change for applying gate voltages. HTI have maximum valve at Dirac point and decrease away from the Dirac point. This strong tunable HTI of 10% could be utilized for application of nano spin devices

Spin-transfer torque and spin-orbit torque driven dynamics of chiral domain-walls

제숭근 서울대학교 대학원 2015 국내박사

Controlling domain-walls (DWs) by electric current promises the realization of future spintronic memory and logic devices. Since the first theoretical possibility of manipulating magnetic DWs by electric currents was suggested in the 1980s, now it is found that there are three important ingredients for the current-driven domain wall-motion, that is, spin-transfer torque (STT), spin-orbit torque (SOT) and Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI). In this thesis, the current-driven DW motion in perpendicularly magnetized Pt/Co/Pt system was investigated in the framework of these up-to dated mechanisms. For this study, scanning magneto-optical Kerr effect (MOKE) microscope, equipped with out-of plane and in-plane electromagnets, was developed to observe the magnetic domain and DW dynamics. The out-of-plane electromagnet was used to drive the DW motion and the in-plane electromagnet was used to control the DW structure which is crucial factor for the effect of SOT on DW. We first investigate the DW structure dependence of magnetic field-driven DW motion. Interestingly, we observe a symmetry-breaking in DW dynamics under in-plane bias field. This symmetry-breaking is found to be caused by the existence of DMI in Pt/Co/Pt system. From the observation of asymmetric DW dynamics, we developed a simple method to evaluate the built-in DW chirality stabilized by DMI. Based on the determined DW chirality, we then succeed in separating both effects of STT and SOT. From the analysis, we found that there exists a new degree of freedom in STT—the negative STT (nSTT)—that pushes DWs to the opposite direction of standard STT mechanism. The efficiency of nSTT is found to be comparable to that of SOT, signalling the possibility of a promising operation mechanism for the emerging spintronic devices. As an effort in the application, we also study the extrinsic method to obtain single domain pattern which is important for the simple operation of DW motion-based devices. By reducing the width of ferromagnetic wire, we observe the transition from dendrite to single domain that gives the breakthrough in the limit of intrinsic material properties. Our findings in this thesis provide the latest understanding of current-driven DW motion in ultrathin Pt/Co/Pt system and trigger further researches about the asymmetric field-driven DW motion and engineering DMI and STT in various materials.

Spin-orbit interaction in a ferromagnet-semiconductor system

김지훈 Korea University 2016 국내석사

This paper describes the spin-injected transistor, combining an InAs quantum well with strong spin-orbit interaction and the Tb20Fe62Co18/Co40Fe40B20 layers with a perpendicular magnetization and the Rashba field induced coercivity shift of the ferromagnetic pattern (FM) in a two-dimensional electron gas (2DEG) layer. We demonstrated all-electric spin transistor using perpendicular spins in an InAs quantum well channel. For the injection and detection of perpendicular spins in the quantum well channel, we use Tb20Fe62Co18/Co40Fe40B20 electrodes, where the Tb20Fe62Co18 layer produces the perpendicular magnetization and the Co40Fe40B20 layer enhances the spin polarization. A gate-controlled spin signal as large as 80 mΩ is observed at 10 K without an external magnetic field in this spin transistor device. In order to confirm the spin injection and relaxation independently, we measure the three-terminal Hanle effect with an in-plane magnetic field, and obtain a spin signal of 1.7 mΩ at 10 K. These results clearly present that the electric field is an efficient way to modulate spin orientation in a strong spin-orbit interaction system The fast moving electron induces the Rashba spin-orbit interaction field in a two-dimensional semiconductor channel with a structural asymmetry. In order to observe the coercivity shift of the ferromagnet induced by Rashba field, the ferromagnetic pattern is deposited on the Hall bar which is made of InAs based quantum well layer. By using the stray field from the Ni81Fe19 pattern, the Hall voltage can monitor the magnetization reversal of the Ni81Fe19 pattern. The hysteresis curve of Ni81Fe19 is shifted by the Rashba field and with a bias current of 0.6 mA, the coercivity of the Ni81Fe19 pattern is shifted by 2.9 mT. The amount and direction of hysteresis shift depend on the current strength and polarity, respectively. This results clearly present that the Rashba field interferes with the switching of ferromagnetic layer while the low conductivity barrier locates between the ferromagnetic layer and the quantum well channel.

Measurement of the field-angle-dependent spin Nernst voltage across ferromagnetic probes

박선도 서울대학교 대학원 2022 국내박사

본 연구에서는 스핀-궤도 상호작용을 통해 비자성 물질 내에서 열 구배를 스핀 전류로 변환하는 현상인 스핀 네른스트 효과를 정량적으로 측정하였다. 이를 위해 백금 박막 시료에 강자성 금속인 퍼멀로이 전극을 접합시키고 자기장의 크기를 변화시키면서 퍼멀로이 전극 간의 전위차를 측정하여 백금에서 발생한 스핀 축적을 검측하였다. 실험에 사용된 소자는 전자빔 리쏘그래피 패터닝 기술과 스퍼터링 증착 기술을 이용한 바텀업 공정을 통해 만들어졌으며, 백금과 퍼멀로이 전극의 이중층 박막이 인접합 마이크로미터 규모의 줄 발열기에 의한 기판 면에 평행한 열 구배를 받는 구조를 가진다. 스핀-궤도 상호작용이 매우 강한 대표적인 금속인 백금에서 이 열 구배는 기판에 수직한 방향으로 흐르는 스핀 전류로 변환되어 백금과 퍼멀로이의 접합 계면에 스핀이 축적되게 된다. 이때 퍼멀로이 전극은 자화를 띄고 있으므로 스핀과 자화의 상대적 방향에 따라 다른 전위를 갖게 되는데, 자기장을 조절하여 자화의 방향을 바꿔주면 스핀 축적에 의한 전위 차를 측정할 수 있고 이를 통해 백금에서의 스핀 네른스트 효과의 크기를 정량적으로 추정할 수 있다. 기판에 적층한 박막 시료에 기판에 평행한 방향의 열 구배를 가하는 실험 기법은 다양한 장점으로 인해 널리 사용되지만 기판을 통한 열소산에 의해 발생하는 기판에 수직한 방향의 열 구배를 제거하는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 특히 강자성 금속이 포함된 소자에서는 이러한 부산적 열 구배에 의한 기생 효과들로 인해 관찰하고자 하는 현상의 측정이 교란될 수 있다. 본 연구에서는 측정되는 전압 신호와 자화와 열 구배 사이의 각도 사이의 관계를 분석하고, 스핀 네른스트 효과와 기생 효과인 비정상 네른스트 효과의 각도 의존성의 직교성을 이용할 수 있도록 고안된 소자를 이용하여 스핀 네른스트 효과만을 검측하는 방법을 소개한다. 이를 통해 백금에서의 스핀 네른스트 효과를 정량적으로 측정하였으며 백금의 스핀 네른스트 각은 백금에서의 스핀 홀 각과 부호는 반대이고 크기는 동일한 수준이라는 것을 보였다. 나아가 측정을 위한 전극의 배치가 다른 소자에서 대조 실험을 수행하여 그 결과를 본 실험과 비교한 결과, 측정 전극의 배치를 포함한 소자의 다자인이 열물리 현상 측정에 있어 매우 중요하다는 것을 확인하였다. 열 구배의 방향으로 전극을 배치했을 경우엔 스핀 네른스트 효과와 기생 효과인 비정상 네른스트 효과의 각도 의존성이 서로 같아 본 연구에서 사용한 방법으로는 정량적으로 분리하기가 불가능하였다. 이러한 결과는 향후 열과 자성 사이에서 발생하는 현상은 물론 열 구배를 수반하는 일반적인 물리 현상의 연구를 위한 소자 구상에 도움이 될 수 있을 것이다. This dissertation describes the experimental research on the spin Nernst effect, a phenomenon that converts heat current into spin current in a nonmagnetic system via spin-orbit interaction, by detecting the spin accumulation as a magnetic-field-dependent voltage signal by ferromagnetic metal probes. The samples are prepared by the bottom-up fabrication using electron-beam lithography and sputter deposition to pattern the metal thin film structures including the bilayer strip of platinum and permalloy, Joule heater, and electric leads. The bilayer structure is subject to an in-plane heat current generated by the Joule heater. The in-plane heat current in platinum, a typical strongly spin-orbit coupled metal, is converted to a spin current by the spin Nernst effect, building up a spin accumulation at the interface of platinum and permalloy. By reversing the magnetization by field sweep, this spin accumulation is measured as an asymmetric voltage step at zero field, enabling detection of the spin Nernst effect. Like many other caloritronic research applying in-plane heat current to thin films on substrates, it is difficult to eliminate the unintended out-of-plane thermal gradient that develop by dissipation through the substrate. In systems utilizing ferromagnetic metal, this out-of-plane thermal gradient can obscure the signal via undesirable thermomagnetic effects. This dissertation introduces a device geometry that allows voltage measurement transverse to the thermal gradient, enabling separation of the spin Nernst voltage from parasitic anomalous Nernst voltage, which are of same order of magnitude, by virtue of their mutual orthogonality in angular dependence on the magnetic field. This geometry can be utilized in spin caloritronic systems where thermal coupling between the sample and the substrate is unavoidable for fabrication or application issues. Based on the result, the spin Nernst angle of platinum is estimated to be comparable to the spin Hall angle in magnitude, with an opposite sign. Furthermore, by comparing the field angular dependence of the signal of the device with the transverse geometry and longitudinal geometry, it is found that the measurement geometry is crucial when utilizing ferromagnetic metal probes, as the it is hard to distinguish the spin Nernst effect from the anomalous Nernst effect in the longitudinal geometry since the two effect share the same field angular dependence.

Enhancement and polarization manipulation of photonic spin hall effect with waveguided-SPR method

Monu Nath Baitha Graduate School, Yonsei University 2023 국내박사

광자 스핀 홀 효과(Photonic spin Hall effect, PSHE)는 plane-polarized wave가 광 표면에서 반사와 굴절 이후 right and left-handed circularly-polarized wave로 분리되는 현상이다. 광자 스핀 홀 효과는 전자의 홀 효과와 매우 유사하며, 다양한 모델과 구조내에서 연구되어 왔지만 아직까지 그 수치가 작고 편광에 의존적이어서 현실적으로 적용하기 어렵다. 플라즈모닉 시스템에서 스핀 홀 효과의 증폭은 가능했으나, 수평 편광이라는 조건에 한정되어 있었다. 광자 스핀 홀 효과를 더 증폭시키고 편광 의존성을 제어하기 위해 새로운 도파로-표면 플라즈몬 공명 (Waveguided surface plasmon resonance, WG-SPR) 방법을 채택하였다. 본 논문에서의 사용한 구조는 금속층 위의 얇은 유리층으로 구성되어 있으며, 수직 및 수평 편광 모두 적용이 가능하다. 입사광의 편광 상태는 광자 스핀 홀 효과에 상당한 영향을 미친다. 본 논문은 도파로-표면 플라즈몬 공명을 이용한 거대 광자 스핀 홀 효과를 이론적으로 분석하였으며, 그 수치를 밀리미터 수준까지 향상시켰다. 이 연구는 플라즈몬 공명 기반 모델을 사용하여 빛의 수직 및 수평 편광 모두에 대해 거대 광자 스핀 홀 효과를 관찰한 첫 번째 연구이다. 또한, 도파관의 층 두께를 조정함으로써 편광을 능동적으로 조작할 수 있으며, 이러한 효과는 광 스핀을 주로 이용하는 수직 및 수평 편광 기반의 양자 광학 장치 및 센서에 적용할 수 있다. 더 나아가, 편광의 전환이 가능한 스핀 광자 홀 효과를 얻기 위해 새로운 방법을 제안하였다. 결과적으로 구조의 물리적인 변화없이 광자 스핀 홀 효과를 관찰 할 수 있다. 이 연구는 광자 스핀 홀 효과를 향상시키는 입사 공명 각도만 변경하여 편광 모드를 능동적으로 제어하는 데 매우 적합하며, 이러한 효과는 스위치, 빔 스플리터, 필터 등의 광 편광 기반 장치에 적용할 수 있다. 또한, 모든 입사각에 대해 편광 독립적인 광자 스핀 홀 효과를 관찰 할 수 있는 연구를 진행하였다. 모든 입사각, 모든 평면 편광 입사파에 대해 수직 편광 광자 스핀 홀 효과와 수평 편광 광자 스핀 홀 효과가 같음을 보였다 (δ_±^H=δ_±^V). 이 연구는 모든 입사각에 대해 광자 스핀 홀 효과의 편광 의존성을 없애기 위해 빛의 스핀-궤도 결합을 조작한 첫 번째 연구이다. 이 연구의 결과는 편광 독립적인 양자 장치 및 센서에 적용할 수 있다. The photonic spin Hall effect (PSHE) explains the separation of right- and left-handed circularly-polarized waves after reflection and refraction of a plane-polarized wave from an optical interface. It is a direct analogy to the electronic Hall effect. To date, PSHE has been explored for many different models and structures, but still, its small value and polarization dependency limits the practical application. In plasmonic systems, the enhanced spin Hall effect (SHE) was previously possible but only for horizontal polarization. To further enhance the PSHE and control the polarization dependency, the novel waveguided surface plasmon resonance (WG-SPR) method has been adopted. The proposed structure comprises a thin glass layer over a metal layer that produces a hybrid mode of transverse magnetic and a regular waveguiding transverse electric mode. The polarization state of the incident light has a substantial impact on the photonic spin Hall effect (PSHE). This thesis reports a theoretical analysis of the giant photonic spin Hall effect (G-PSHE) using WG-SPR. An enhancement of millimeter-scale (more than 2 mm to submillimeter) is achieved. To the best of our knowledge, this is the first study to achieve G-PSHE for both vertical and horizontal polarization modes of light with the SPR-based model. Other findings also indicate the manipulation of active polarization mode by only tuning the wave-guiding layer thickness. This study enables the scope for potential applications of both H- and V-polarized based quantum optical devices and sensors, where light spin plays a pivotal role. Further, a novel method has been proposed to get the polarization-switchable PSHE. Outcomes offer the opportunity of eliminating any physical alteration of the given structure to govern the desired results. This research is highly suited to controlling the active polarization mode of enhanced PSHE by only altering the incident resonance angle. It will be a simple alternative for modern light polarization (spin) based devices such as switches, beam splitters, filters, etc. Furthermore, another study revealed an opportunity to polarization-independent photonic spin Hall effect (PSHE), for all incident angles. This work demonstrates that the horizontal (H) and vertical (V) polarized PSHE will remain the same; (�±ு = �±௏) for any plane-polarized incident wave at any incident angle. This is the first study where the Spin-Orbit coupling of light has been manipulated to vanish the polarization dependency of PSHE for all incident angles. The results of this study pave the way for feasible future applications of new polarization-independent quantum devices and sensors.

Dynamics of Interacting Atoms in Optical Lattices

Mamaev, Mikhail University of Colorado at Boulder ProQuest Dissert 2023 해외박사(DDOD)

Ultracold atoms in optical lattices offer a powerful platform for quantum simulation of interacting many-body systems. Canonical spin and Hubbard-type models can be faithfully realized thanks to the clean environment and long coherence times offered by the platform. Optical lattices also have access to external tools such as laser driving, which enable augmentation or tuneability of the realized systems.In this thesis, we explore the utility of such tools for realizing more tuneable systems, and for applications such as entanglement generation. We first study the use of spin-orbit coupling, generated by driving the atoms with lasers, to tune the dynamics of an optical lattice loaded with fermionic atoms with two flavors in the Mott insulating limit. The conventional antiferromagnetic superexchange interactions between the atoms are shown to be dressed by the laser, generating a more complex spin-1/2 XXZ model that can be controlled by the drive strength and spin-orbit coupling phase. This model is shown to be useful for generating cluster states for measurement-based quantum computation, which leverage the parallel nature of the atomic interactions to front-load entanglement generation. We also consider the use of the model for spin-squeezing, which can enable quantum-enhanced metrology by generating an entangled state before performing measurements.Going beyond spin physics, we study a resonant regime where atoms can move in the insulating limit due to the interplay between tunneling, spin-orbit coupling and interactions. We show that an effective kinetically constrained picture emerges, derive effective rules for the atomic motion, and demonstrate interesting self-binding properties that the atoms exhibit. We also show that the system can be used to emulate a synthetic magnetic field piercing a lattice. The response of this system to this effective field is described using the kinetic constraints. An analogous model for atoms with more than two internal levels is also derived, and the resonant response to the field is characterized.Aside from spin-orbit coupling, we also consider the use of excited band states to further control atomic dynamics. We first show that such band states can be used to robustly encode quantum information in a decoherence-free subspace insensitive to external noise. We then discuss the utility of excited bands for accessing p-wave interactions. An explicit scheme for measuring both on-site and cross-site interactions is provided. An experiment that successfully measures the on-site portion is also discussed.

Micromagnetic study of chiral magnetic systems

이승재 KU-KIST Graduate School of Converging Science and 2020 국내박사

Magnetic systems in the presence of Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is named as chiral magnetic systems as DMI in magnetic systems contributes to the stabilization of chiral magnetic textures (i.e. chiral domain wall and skyrmion). DMI stabilizes chiral magnetic states as DMI energy prefers spatially tilted magnetization by competing with other magnetic energies (mainly exchange energy and anisotropy energy). The DMI is an antisymmetric part of exchange interaction and arises when the magnetic system has exchange interaction, spin-orbit coupling and inversion symmetry breaking. Especially, bilayer composed of a heavy metal layer and a magnetic layer satisfies those prerequisites at the interface. This is because, basically, the bilayer system has inversion symmetry breaking at the interface, the exchange interaction is given from magnetic layer, and a large spin-orbit coupling is given from heavy metal layer. For these reasons, magnetic bilayer structures with DMI have been intensively investigated because chiral domain walls and skyrmions are considered as one of the candidates for making use of the racetrack memory. As mentioned, the DMI in bilayer highly depends on the interface therefore it is opening large potential in material design. Furthermore, the chirality of magnetic systems also affects the spin-wave propagation according to wave vector of spin wave and makes nonreciprocal propagation of spin waves in a nanowire. This nonreciprocity opens other approaches in various functional devices with spin wave and offers rich spin-wave physics. In this thesis, we introduce analytical and numerical results for current induced skyrmion motions and spin-wave propagations in chiral magnetic systems.

Collective Excitations of Magnetized Quantum Wires and Spin Chains with Spin-Orbital Interactions

Wang, Ren-Bo The University of Utah ProQuest Dissertations & Th 2022 해외박사(DDOD)

Quasi-one-dimensional (Quasi-1d) materials and physical models describing them have long attracted the interest of researchers due to the numerous intriguing physical properties that these systems possess. 1d geometry strongly enhances quantum fluctuations which, in the case of magnetic insulators, promote unusual spin liquid phases of magnetic matter. In this dissertation, I discuss low-energy excitations of interacting 1d systems with spin-orbital couplings such as quantum wires and spin chains in the presence of an external magnetic field.First, I describe how Majorana states could appear at the ends of a quantum wire with Rashba spin-orbit interactions. This problem is analyzed by the bosonization technique under closed (periodic/anti-periodic) and open boundary conditions. Second, a large fraction of this dissertation is devoted to the behaviors of spinons in an antiferromagnetic Heisenberg spin-1/2 chain with uniform Dzyaloshinskii-Moriya interactions that originate from spin-orbit couplings. In this case, I analyze the problem via two different approaches, the fermion path integral and the hydrodynamic method, to obtain spin susceptibilities. It turns out that the results from these two analytical approaches coincide exactly and agree very well with both experiments and density matrix renormalization group simulations.In both 1d systems, interactions among the fundamental constituents play crucial roles in describing the physical properties of the excitations.

Study on Electrical Detection and Control of Magnetic Domain Walls

이성협 서울대학교 대학원 2023 국내박사

수직자기 이방성을 가진 강자성 금속 필름은 오랫동안 메모리 응용 기능에 있어 주목을 받아왔다. 높은 이방성 때문에 자기 도메인들이 열에 취약하지 않을뿐더러 자기 도메인 또한 더 많이 밀집될 수 있다. 얇은 박망 형태의 구조에서 수직 자기이방성은 나노미터 이하의 수준과 계면에 아주 민감한 특성을 가지고 있다. 결과적으로 이러한 박막을 제작하기 위해서는 불순물이 없는 환경과 두께의 정밀한 제어가 필요하다. 수직자기 이방성을 띠는 시료에서, 자구벽의 전기적인 신호에 대한 물리적인 메커니즘과, 차세대 메모리 응용을 위해서도 연구가 진행되어왔다. 특히 자구벽을 전류를 통해 감지하고 조절하는 것은 이진 상태인 자화의 방향을 읽고 전달하는데 있어 중요하다. 자구벽의 전기적 감지 메커니즘에 대해 비정상 홀 효과가 제안되었고 자화의 방향을 결정하는데 사용되었다. 자구벽의 전기적 제어에 대한 물리적 메커니즘에 대한 연구들은 자구벽을 효율적으로 제어하는데 중요한 파라미터들을 제안하였다. 그 중 하나는 자구벽을 전류로 움직이는 주요한 원천인 스핀-오빗 토크이다. 다른 하나는 자구벽을 카이럴한 닐월로 만들어주는 쟐로샨스키-모리야 상호작용이다. 스핀-오빗 커플링으로부터 기인하는 이러한 파라미터 들은 금속 다층시스템에서의 중금속이나, 중금속과 강자성 금속 계면에서 발생하게 된다. 그들의 메커니즘이 공유되기 때문에, 효율적인 전류 인가 자구벽을 구현하기 위해 두 파라미터를 독립적으로 제어하는 것이 어렵다. 이러한 파라미터를 어떻게 조절하는지 찾은 후에, 우리는 자구벽의 정확한 위치제어에 초점을 기울였다. 강자성 필름에 무작위로 존재하게 되는 피닝 사이트들 때문에, 자구벽은 외부에서 인가하는 전류에 대한 이동거리가 확률적으로 변하게 된다. 자구벽의 랜덤한 이동거리를 제어하기 위해서 2차원적인 지형적 제약조건을 포함해서 많은 연구들이 보고되었다. 그러나 지형적인 노치를 사용하는 것은 디바이스의 끄트머리에 데미지를 줄수 있고, 더 높은 전류 밀도를 필요로 하게 된다. 챕터 2는 강자성층의 두께를 모노레이어 이하의 두께 레솔루션으로 제어하기 위한 스퍼터링 시스템 셋업에 관해 설명한다. 실시간으로 증착된 두께를 확인하며 컴퓨터 기반으로 셔터 스위치를 제어하는 시스템이 설치되었다. 극 자기광 커 효과 현미경을 이용하여 우리는 증착된 필름에 존재하는 자구벽의 동역학적 특성을 비교하였으며, 이는 긴 시간동은 합리적인 재현성을 보여주었다. 챕터 3은 자구벽을 비정상 홀 효과를 통해 전기적으로 감지하는 것에 초점을 기울였다. 홀전압과 자구벽의 위치간의 경험적인 관계가 세가지 다른 방식의 분석을 통해 유도되었다. 첫번째로, 자구벽의 홀시그널이 홀바 바깥에서도 측정된다는 것을 관찰했다. 와이어 너비와 홀바너비의 다양한 조합을 가지고 자구벽의 전기적 감지 범위가 실험적으로 분석되었다. 그 다음으로 지형적인 파라미터들과 감지범위 간에 관계를 찾기 위해, 뉴메리컬한 시뮬레이션이 수행되었다. 마지막으로 우리는 우리 실험 상황에 적용하기 위해 분석적인 수식을 변형하였다. 이 세가지 다른 접근들의 일치와 함께 경험적인 관계가 제안되었다. 챕터 4는 자구벽의 전기적 제어에 관해 논의한다. 다양한 샘플 구조들에서부터 금속층의 두께 제어까지의 조사를 통해 우리는 스핀-오빗 토크를 제어하기 위한 전략을 제시하였다. 비록 스핀-오빗 토크를 제어하는 것이 삼중층의 구조를 바꿈으로써 제어하는 것은 어려웠지만, 오롯이 물질의 두께를 제어함으로써 스핀-오빗 토크를 제어하는 것이 가능했다. 이 방법을 통해 쟐로샨스키-모리야 상호작용의 유효한 필드가 어떤 명백한 변화를 주지 않고, 스핀-오빗 토크의 크기만을 제어함으로써 자구벽의 운동방향을 제어할 수 있었다. 챕터 5는 챕터 4의 결과에 기반해서 자구벽의 전기적 위치제어에 대해 연구를 진행하였다. 이전 챕터의 결과와 H.-S. Whang 의 아이디어의 혼합으로부터 우리는 자구벽을 스핀-오빗 토크 변조경계에 자구벽을 고정시키는 방법과 한쪽방향으로 자구벽을 이동시키는 방법을 제시하였다. 스핀-오빗 토크 변조 경계에서 자구벽의 디피닝은 극 자기광 커 효과 현미경을 이용해 관찰되었다. 스핀-오빗 토크 변조 경계에서의 자구벽 피닝을 확인한 후에 자구벽을 한쪽 방향으로 움직이도록 하기 위해 비대칭적인 변조 경계 디자인을 제작하였다. 챕터 6은 이러한 스핀-오빗 토크 변조 경계를 통해 자구벽의 정확한 위치제어를 수백 나노미터에 달하는 나노와이어를 만들어서 그 소자의 작동을 확인할 수 있었다. Metallic ferromagnetic film with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) has long been highlighted by its utility in memory applications. Because of its high anisotropy, not only the thermal stability of magnetic domains can be easily achieved but also capacity of magnetic domains is made more densely. Because PMA in magnetic thin film structure is very sensitive to the thickness of ferromagnetic layer which is order of sub-nanometer and interface to the adjacent metal layer. As a result, we need for pure environment and well-controlled thickness of deposition. Within these PMA system, electrical response of magnetic domain walls (DWs) has long been studied for its fruitful underlying physical mechanisms and needs for next-generation memory applications. Especially, detecting and controlling the magnetic domain wall through electrical charge current is important for transferring magnetic domain to read the status of local magnetization which is binary state. For the electrical detecting mechanism of magnetic domain walls, anomalous Hall effect (AHE) has been provieded and used in determining the direction of magnetization. For the electrical control of magnetic domain walls, efforts to shed light on the physical mechanism has proposed the key parameters to efficiently control the DWs. One is spin-orbit torque (SOT) which is the main source pushing DWs via electric current. The other is Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), which makes the DW as chiral Neel wall. These parameters which are originating from spin-orbit coupling are mainly generated from the heavy metal layer or heavy metal/ ferromagnetic metal interface in metallic multilayer system. As their mechanisms are shared, it is not easy to achieve the efficient current-induced domain wall motion by regulating these two key parameters independently. After we find how to control these parameters independently, we focus on the precise control of magnetic domain walls. To use magnetic DWs as a data bit, there is problem which is the randomness of DWs. Because of randomly distributed pinning sites in ferromagnetic film, DWs shows stochastic travel distance with respect to the injected driving force. To control the random positionning problem of DWs, a number of studies has been reported, which include 2-dimensional geometrical constraints. However, using geometric notch can invoke the damage to the device edge and also needs for high current density. Chapter 2 describes on the development of sputtering system to control the thickness of ferromagnetic layer within sub-monolayer thickness resolution. Computer-controlled shutter switch with real-time quartz crystal monitor system was setup. By using polar magneto-optical Kerr effect microscopy, we compared the deposited magnetic thin film’s dynamic property of domain walls, which shows the resonable reproducibility maintained during a long period. Chapter 3 focuses on the electrical detection of magnetic domain walls via anomalous Hall effect. The empirical relation between Hall voltage and domain wall position was derived through the three different kinds of analyses. Firstly, we observe that the Hall signal of magnetic domain wall can be detected outside the Hall bar. With the various combination of wire width and Hall bar width was experimentally analysed. After then to find relation between geometric parameters and detection range through a number of sets of combination, a numerical simulation was implemented. Finally, we modify the analytical equation to apply our experimental situation. With all the coincidence of different kinds of approaches, empirical relation was suggested. Chapter 4 discusses about the electrical control of magnetic domain walls. From the exploration of diverse sample structures, here we provide the strategy to control the spin-orbit torque. Though controlling the spin-orbit torque was hard by changing the structure of trilayer, it was possible to solely control the spin-orbit torque by chaning the thickness of material. With this, the effective field of DMI didn’t show any evident variation. Chapter 5 studied on the position control of DWs, based on the result of chapter 4. From the result of prior chapter and the idea of H.-S. Whang, here we provide the way to pin the DWs at SOT-modulation boundary, and depin the DWs only in unidirection. DW pinning at the SOT-MB was firstly observed by using our P-MOKE microscope. After achieving the pinning at the SOT-MB we made the asymetric design of SOT-MD to make the DWs prefer unidirection motion. Chapter 6 experimentally proves that SOT-modulation boundary mechanism can be used for the precise position control to the nano-sized device, which is the world record of control resolution. With all the result describes above, here we provide a new strategy to control the magnetic domain wall only by using electric charge current.