DOI: https://doi.org/10.1103/mgq4-3449
تاريخ النشر: 2026-01-02
المؤلف: E. Santos وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة التأثيرات المدارية الشاذة في أفلام الحديد (Fe) التي تتميز بأنسجة أحادية الاتجاه قوية، مع التركيز على التفاعل بين تيارات الدوران والمدار. باستخدام هياكل YIG/Fe و YIG/Pt/Fe التي تم تصنيعها عبر الإيداع المائل في مجال مغناطيسي، قام الباحثون بإجراء قياسات ضخ الدوران بواسطة الرنين المغناطيسي الفيرومغناطيسي (SP-FMR). أشارت النتائج إلى أن الأنسجة الأحادية الاتجاه تسهل ظهور إشارات تحويل الدوران إلى شحنة (AISHE) والمدار إلى شحنة (AIOHE) في التكوينات خارج المستوى، حيث يتماشى استقطاب الدوران مع اتجاه تيار الدوران. كشفت التحليلات أن الديناميات المدارية، المدفوعة بالتوصيل الكهربائي المداري، تكون بارزة بشكل كبير في أفلام الحديد بسبب تفاعل الدوران المداري المنخفض (SOC) والاستجابة المدارية العالية، مما يشير إلى آثار واعدة لتطوير أجهزة الأوربتونيك.
في الختام، تؤكد النتائج على الدور الحاسم لمتغيرات النظام المغناطيسي في التأثير على الديناميات الدورانية والمدارية داخل الأنظمة المغناطيسية المتقدمة. أظهرت قياسات SP-FMR تعزيزًا ملحوظًا للإشارات في العينات ذات الأنسجة الأحادية الاتجاه القوية، لا سيما في تكوين YIG/Pt(2)/Fe(12)، حيث كانت الإشارة أكبر بمقدار 4.0 مرات مقارنة بتلك الموجودة في YIG/Fe(12). يُعزى هذا التعزيز إلى تحويل المدار إلى شحنة الذي تسهله AIOHE في فيلم Fe(12). بشكل عام، من المتوقع أن تسهم هذه الرؤى في التفاعلات المعقدة بين تيارات الدوران والمدار في تقدم مجال الأوربتونيك، مما يفتح آفاقًا لتطبيقات مبتكرة في تقنيات الدوران والأوربتونيك.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية المجال المتنامي للأوربتونيك، الذي يركز على توليد ونقل الزخم الزاوي المداري (OAM) في المواد الصلبة. تسلط الضوء على تأثير هول المداري (OHE)، حيث يتم تحفيز التيارات المدارية بواسطة مجال كهربائي عمودي من خلال تراكبات غير متوازنة بين حالات بلوتش. كما يتم تقديم تأثير هول المداري العكسي (IOHE)، الذي يسمح بتوليد تيارات الشحن من التيارات المدارية، مما يمثل ميزة كبيرة على التأثيرات المعتمدة على الدوران بسبب قوتها وقدرتها على إنتاج إشارات كهربائية كبيرة في المواد ذات الربط الضعيف بين الدوران والمدار (SOC).
تشدد الورقة على أهمية النقل المداري، مقترحة أنه يلعب دورًا أكثر أساسية من النقل الدوراني، لا سيما في المواد ذات SOC القوي. تشير إلى أن موتر توصيل هول المداري يظهر سلوكًا مشابهًا لموتر توصيل هول الدوراني ولكن مع مقادير أكبر. تركز الدراسة على الهياكل الفيرومغناطيسية (FM) التي تشمل الحديد (Fe) والبلاتين (Pt)، المصنوعة على ركائز ياقوت الحديد (YIG)، للتحقيق في تأثيرات التحويل بين المدار والشحنة من خلال كل من IOHE و IOHE الشاذ. تم إجراء قياسات تجريبية باستخدام تقنية ضخ الدوران المدفوعة بالرنين المغناطيسي الفيرومغناطيسي (SP-FMR)، مما يوفر رؤى حول ديناميات OAM في هذه المواد.
طرق
في هذا القسم، يحقق المؤلفون في ضخ الدوران بواسطة الرنين المغناطيسي الفيرومغناطيسي (SP-FMR) في ثنائيات ياقوت الحديد (YIG) والمعادن العادية (NM)، مع التركيز بشكل خاص على عينات YIG/Fe(12) و YIG/Pt(2). تتضمن عملية SP-FMR حقن كثافة تيار الدوران في طبقة NM أثناء دوران المغنطة، والتي تتميز بمكونات من التيار المتردد (AC) والتيار المستمر (DC). يؤدي المكون DC إلى تراكم الدوران، الذي ينتشر عبر طبقة NM مع استقطاب دوران على طول المحور z. يزداد عرض الخط للرنين بسبب آليات التخميد الإضافية، لا سيما في عينة YIG/Fe(12)، المنسوبة إلى التفاعل التبادلي بين الطبقات المغناطيسية. تكشف النتائج التجريبية عن اختلافات كبيرة في مقادير تيار الشحنة بين العينتين، حيث يظهر YIG/Pt(2) تيار شحنة أكبر بمقدار 3.28 مرة من YIG/Fe(12)، مما يبرز تأثير الربط بين الدوران والمدار (SOC).
يستكشف المؤلفون أيضًا تأثيرات متغيرات النظام المغناطيسي على الإشارات المرصودة، موضحين أن وجود أنسجة أحادية الاتجاه قوية في عينات YIG/Fe(12) يعزز إشارة SP-FMR. تستخدم الدراسة تكوينات وزوايا مختلفة لتحليل سلوك تيارات الدوران والمدار، كاشفة أن انحناء بيري الجوهري يلعب دورًا حاسمًا في هذه الظواهر. تشير النتائج إلى أن تحويل تيارات الدوران/المدار إلى تيارات شحنة يمكن أن يحدث حتى في إعدادات غير نمطية، مما يبرز أهمية تأثير هول الدوراني الشاذ (ASHE) وتأثير هول المداري الشاذ (AIOHE) في سياق المواد المغناطيسية. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أعمق لظواهر النقل الدوراني والمداري في الأنظمة الفيرومغناطيسية، مع آثار على الأبحاث المستقبلية في مجال الدوران.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في التفاعل بين الديناميات الدورانية والمدارية في الأنظمة المغناطيسية المتقدمة، مع التركيز بشكل خاص على عينات YIG/Fe التي تم تصنيعها من خلال عملية ترسيب السفع المائل تحت مجال مغناطيسي مطبق. أدت هذه العملية إلى أنسجة أحادية الاتجاه قوية، والتي عملت كمتغير للنظام المغناطيسي. أشارت قياسات ضخ الدوران بواسطة الرنين المغناطيسي الفيرومغناطيسي (SP-FMR) إلى أن إشارات تأثير هول الدوراني العكسي (ISHE) كانت أصغر بكثير من إشارات SP-FMR المرصودة في YIG/Pt(2). سهلت معالجة متغير النظام المغناطيسي ظهور إشارة SP-FMR في تكوين خارج المستوى، حيث كانت استقطاب واتجاه تيار الدوران متوازيين.
تم إجراء تحليل إضافي للديناميات المدارية باستخدام عينات YIG/Pt(2)/Fe(12). في قياسات SP-FMR داخل المستوى، لوحظ تعزيز ملحوظ بمقدار 3.5 مرة في الإشارة لعازل Pt بسمك 2 نانومتر مقارنة بعازل بسمك 0 نانومتر، والذي يُعزى إلى تأثير هول المداري على الواجهة (IOHE) في طبقة Fe(12). على العكس من ذلك، أظهرت القياسات خارج المستوى على العينات التي تفتقر إلى الأنسجة المغناطيسية عدم وجود إشارة SP-FMR؛ ومع ذلك، مع إدخال أنسجة قوية، أظهرت عينات YIG/Pt(2)/Fe(12) مقدار إشارة أكبر بمقدار 4.0 مرات من YIG/Fe(12). تم ربط هذا التعزيز بتحويل المدار إلى شحنة الذي تسهله تأثير هول المداري الشاذ على الواجهة (AIOHE) في فيلم Fe(12). توفر هذه النتائج رؤى حاسمة حول التفاعلات المعقدة بين تيارات الدوران والمدار، والتي من المتوقع أن تعزز تطوير أجهزة الأوربتونيك من الجيل التالي وتوسع نطاق التطبيقات في تقنيات الدوران والأوربتونيك.
DOI: https://doi.org/10.1103/mgq4-3449
Publication Date: 2026-01-02
Author(s): E. Santos et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
This study explores the anomalous orbital effects in iron (Fe) films characterized by strong uniaxial anisotropy, focusing on the interplay between spin and orbital currents. Utilizing YIG/Fe and YIG/Pt/Fe structures fabricated via oblique deposition in a magnetic field, the researchers conducted spin pumping ferromagnetic resonance (SP-FMR) measurements. The results indicated that the uniaxial anisotropy facilitates the emergence of spin-to-charge (AISHE) and orbital-to-charge (AIOHE) conversion signals in out-of-plane configurations, where the spin polarization aligns with the spin current direction. The analysis revealed that orbital dynamics, driven by orbital Hall conductivity, are significantly pronounced in Fe films due to their low spin-orbit interaction (SOC) and high orbital response, suggesting promising implications for orbitronics device development.
In conclusion, the findings underscore the critical role of magnetic order parameters in influencing spin and orbital dynamics within advanced magnetic systems. The SP-FMR measurements demonstrated a notable enhancement of signals in samples with strong uniaxial anisotropy, particularly in the YIG/Pt(2)/Fe(12) configuration, where the signal was 4.0-fold greater than that in YIG/Fe(12). This enhancement is attributed to the orbital-to-charge conversion facilitated by AIOHE in the Fe(12) film. Overall, these insights into the complex interactions between spin and orbital currents are expected to advance the field of orbitronics, opening avenues for innovative applications in spintronic and orbitronic technologies.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the burgeoning field of orbitronics, which focuses on the generation and transport of orbital angular momentum (OAM) in solids. It highlights the orbital Hall effect (OHE), where orbital currents are induced by a perpendicular electric field through nonequilibrium interband superpositions of Bloch states. The inverse orbital Hall effect (IOHE) is also introduced, which allows for the generation of charge currents from orbital currents, presenting a significant advantage over spin-based effects due to its robustness and ability to produce large electrical signals in materials with weak spin-orbit coupling (SOC).
The paper emphasizes the importance of orbital transport, suggesting it plays a more fundamental role than spin transport, particularly in materials with strong SOC. It notes that the orbital Hall conductivity tensor exhibits behavior akin to the spin Hall conductivity tensor but with larger magnitudes. The study focuses on ferromagnetic (FM) heterostructures involving iron (Fe) and platinum (Pt), fabricated on yttrium iron garnet (YIG) substrates, to investigate the effects of orbital-to-charge interconversion through both IOHE and anomalous IOHE. Experimental measurements were conducted using the spin pumping driven by ferromagnetic resonance (SP-FMR) technique, providing insights into the dynamics of OAM in these materials.
Methods
In this section, the authors investigate the spin pumping ferromagnetic resonance (SP-FMR) in Yttrium Iron Garnet (YIG) and normal metal (NM) bilayers, specifically focusing on YIG/Fe(12) and YIG/Pt(2) samples. The SP-FMR process involves the injection of a spin current density into the NM layer during magnetization precession, characterized by both alternating current (AC) and direct current (DC) components. The DC component leads to spin accumulation, which diffuses through the NM layer with a spin polarization along the z-axis. The linewidth of the resonance increases due to additional damping mechanisms, particularly in the YIG/Fe(12) sample, attributed to the exchange interaction between magnetic layers. The experimental results reveal significant differences in charge current magnitudes between the two samples, with YIG/Pt(2) exhibiting a charge current 3.28 times larger than YIG/Fe(12), highlighting the impact of spin-orbit coupling (SOC).
The authors also explore the effects of magnetic order parameters on the observed signals, demonstrating that the presence of a strong uniaxial anisotropy in the YIG/Fe(12) samples enhances the SP-FMR signal. The study employs various configurations and angles to analyze the behavior of the spin and orbital currents, revealing that the intrinsic Berry curvature plays a crucial role in these phenomena. The findings indicate that the conversion of spin/orbital currents into charge currents can occur even in atypical setups, emphasizing the significance of the anomalous spin Hall effect (ASHE) and anomalous orbital Hall effect (AIOHE) in the context of magnetic materials. Overall, the results contribute to a deeper understanding of spin and orbital transport phenomena in ferromagnetic systems, with implications for future research in spintronics.
Discussion
In this study, we investigated the interplay between spin and orbital dynamics in advanced magnetic systems, specifically focusing on YIG/Fe samples fabricated through oblique DC sputtering deposition under an applied magnetic field. This process resulted in strong uniaxial anisotropy, which acted as a magnetic order parameter. Spin-pumping ferromagnetic resonance (SP-FMR) measurements indicated that the inverse spin Hall effect (ISHE) signals were significantly smaller than the SP-FMR signals observed in YIG/Pt(2). The manipulation of the magnetic order parameter facilitated the emergence of the SP-FMR signal in an out-of-plane configuration, where the polarization and direction of the spin current were collinear.
Further analysis of orbital dynamics was conducted using YIG/Pt(2)/Fe(12) samples. In in-plane SP-FMR measurements, a notable 3.5-fold enhancement in signal was observed for a 2 nm Pt spacer compared to a 0 nm spacer, attributed to the interfacial orbital Hall effect (IOHE) in the Fe(12) layer. Conversely, out-of-plane measurements on samples lacking magnetic anisotropy showed no SP-FMR signal; however, with the introduction of strong anisotropy, the YIG/Pt(2)/Fe(12) samples exhibited a signal magnitude 4.0 times greater than that of YIG/Fe(12). This enhancement was linked to the orbital-to-charge conversion facilitated by the anomalous interfacial orbital Hall effect (AIOHE) in the Fe(12) film. These findings provide crucial insights into the complex interactions between spin and orbital currents, which are anticipated to advance the development of next-generation orbitronic devices and broaden the scope of applications in spintronic and orbitronic technologies.