Evidence for spin swapping from modulation of transverse resistance in magnetic heterostructures with Rashba interface

技术摘要：通过具有 Rashba 界面的磁性异质结构中横向电阻调制证明自旋交换（Spin Swapping）

问题陈述
虽然自旋/电荷转换机制（例如体材料中的自旋霍尔效应 (SHE) 以及界面处的埃德尔斯坦效应 (EE)）在产生自旋电流和调制纵向电阻（例如通过自旋霍尔磁电阻或单向磁电阻）方面已得到广泛认可，但它们对横向电阻的影响仍不为人所熟知。具体而言，最近的理论提议指出，依赖于磁化取向的自旋电流散射可能会诱导一种类似于反常霍尔效应 (AHE) 的横向响应。然而，具有相反自旋手性的 Rashba 界面如何调制磁性异质结构中的横向电阻，其具体机制仍需澄清。作者旨在研究在利用 Cu/Bi$_2$O$_3$ 和 Ag/Bi$_2$O$_3$ Rashba 界面（已知表现出相反符号的自旋/电荷转换效率）的系统中，在垂直面外磁场下的横向响应 ($R_{xy}$)。

方法论
本研究采用了由永磁合金 (Py, Ni$_{80}$Fe$_{20}$) 铁磁层（10 nm）顶层覆盖 Cu 或 Ag（0–20 nm）以及 Bi$_2$O$_3$ 层（20 nm）组成的磁性异质结构。制备了两组主要样品集：

• 样品 1： Py/Cu/Bi$_2$O$_3$
• 样品 2： Py/Ag/Bi$_2$O$_3$

为了分离界面效应，还制备了不含 Bi$_2$O$_3$ 层的参考样品 (Py/Cu 和 Py/Ag)。所有器件均通过电子束蒸发、光刻和剥离工艺加工成霍尔棒（宽度 4.0 $\mu$m，长度 120 $\mu$m）。

实验在 10 K 和 300 K 温度下使用物理性质测量系统 (PPMS) 进行。施加 100 $\mu$A 的探测电流，同时沿垂直面外 ($z$ 轴) 方向扫过 –6 T 至 +6 T 的外部磁场。计算了横向电阻差 $\Delta R_{xy} = [R_{xy}(+H) - R_{xy}(-H)]/2$，以分离磁态的贡献。为了量化该效应，作者评估了“纯”反常霍尔角 ($\theta_{AH}$)，并对非磁性 (NM) 层中的电流分流和短路效应进行了修正。此外，通过从主样品值中减去参考样品值，推导出了额外的反常霍尔角 ($\theta_{AH}^{add}$)，以隔离专门来自 NM/Bi$_2$O$_3$ 界面的贡献。

关键结果

1. 相反的调制趋势： 对于样品 1 (Cu/Bi$_2$O$_3$)，无论 NM 厚度 ($t_{NM}$) 如何，$\Delta R_{xy}$ 的符号保持不变。相比之下，对于样品 2 (Ag/Bi$_2$O$_3$)，随着 Ag 厚度的增加，$\Delta R_{xy}$ 的符号发生了翻转。
2. $\theta_{AH}$ 的厚度依赖性： 参考样品的纯反常霍尔角 ($\theta_{AH}$) 对 $t_{NM}$ 基本不敏感。然而，对于含有 Bi$_2$O$_3$ 的样品，$\theta_{AH}$ 显示出对 $t_{NM}$ 的显著依赖性。具体而言，在样品 1 中，$\theta_{AH}$ 随 Cu 厚度增加而增加；而在样品 2 中，$\theta_{AH}$ 随 Ag 厚度增加而减少，并在达到足够厚度时发生符号反转。
3. 界面贡献 ($\theta_{AH}^{add}$)： 提取的 $\theta_{AH}^{add}$ 证实了 Cu/Bi$_2$O$_3$ 界面增强了横向电阻，而 Ag/Bi$_2$O$_3$ 界面则抑制了它。这些趋势在 10 K 和 300 K 下均保持一致，并且直接与这两个界面已知的相反符号的自旋/电荷转换效率相关联。
4. 排除其他机制： 作者排除了标准自旋霍尔磁电阻 (SMR) 对横向响应的影响，指出 SMR 是二次方的且对转换效率的符号不敏感。同样，界面自旋霍尔效应也被认为不足以解释该现象，因为其通常对 Rashba 参数的符号不敏感。

提出的机制：自旋交换 (Spin Swapping)
论文提出，观察到的现象是由非磁性金属 (NM) 层内的自旋交换效应驱动的。

• 机制： Rashba 界面产生具有特定极化方向和流动方向的自旋电流（例如，对于 Cu/Bi$_2$O$_3$ 为 $q_{zy}$，对于 Ag/Bi$_2$O$_3$ 为 $q_{z-y}$）。当此电流穿过 NM 层时，由自旋轨道相互作用介导的散射事件会导致“自旋交换”，从而将电流从 $q_{ij}$ 变为 $q_{ji}$。
• 结果： 这一过程将初始自旋电流转换为沿 $z$ 轴极化的横向自旋电流。由于两个界面的初始自旋方向相反，产生的横向自旋流方向也相反（$q_{yz}$ vs. $q_{-yz}$）。
• 与磁化的相互作用： 这种横向自旋流与 Py 的磁化强度发生作用。当自旋方向与磁化方向平行时，传输阻力较小；当反平行时，阻力较大。这种相互作用调制了横向电阻，产生了 Cu 和 Ag 系统之间观察到的符号差异。

意义与主张
作者声称，他们的工作为磁性异质结构中的自旋交换效应提供了实验证据。他们断言：

• 横向电阻的调制是源自 Rashba 界面的转换自旋电流发生自旋交换的直接结果。
• 产生的横向自旋流的方向由界面的自旋手性决定，这解释了 Cu/Bi$_2$O$_3$ 和 Ag/Bi$_2$O$_3$ 系统中观察到的相反调制趋势。
• 横向电阻测量是观察自旋交换现象的一种可行平台，该现象此前仅在理论上有所预测，但在该背景下的实验探索较少。
• 研究结果强调，自旋交换产生了一种显著的影响，这与标准的 SHE 或 SMR 效应截然不同。

研究最后指出，这些结果得到了“纳米自旋转换科学”计划和 JSPS 领先研究生院项目的资助，并未提出超出基础自旋传输理解之外的具体未来应用或商业器件。