DOI: https://doi.org/10.1103/physrevlett.132.236702
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38905652
تاريخ النشر: 2024-06-05
المؤلف: Shilei Ding وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يحقق المؤلفون في دور التيارات المدارية في التحكم في المغنطة في المغناطيسات الحديدية الرقيقة، مع التركيز بشكل خاص على سبائك الفيريمغناطيس GdyCo100-y. يوضحون أن حقن تيار مداري يولد عزم مداري كبير، مع كون كل من الإشارة والحجم لهذه العزوم قابلة للتعديل من خلال التغيرات في محتوى Gd ودرجة الحرارة. ومن الجدير بالذكر أن زاوية هول الفعالة للدوران المداري في طبقة GdyCo100-y/CuOx تصل إلى -0.25، وهو ما يزيد بشكل كبير عن القيم التي لوحظت في Co/CuOx (+0.03) وGdyCo100-y/Pt (+0.13).
يُنسب الأداء المحسن إلى تحويل المداري إلى دوران المحلي الذي يحدث في مواقع Gd، والذي يكون أقوى بحوالي خمس مرات ويظهر إشارة معاكسة مقارنة بـ Co. بالإضافة إلى ذلك، يُبلغ المؤلفون عن زيادة كبيرة في العزم المداري الصافي عند درجات حرارة منخفضة، مرتبطًا بتحسين كفاءة التحويل الناتجة عن الترتيب المغناطيسي لشبكات Gd وCo. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانية التحكم في التيارات المدارية من أجل التحكم الفعال في المغنطة في المواد المغناطيسية.
نقاش
في هذه الدراسة، نحقق في اعتماد كفاءة تحويل المداري إلى دوران، المشار إليها بـ $\xi_{DL}^E$، على الترتيب المغناطيسي لشبكات Gd وCo في طبقات Gd$_y$Co$_{100-y}$/CuO$_x$. تكشف نتائجنا أن $\xi_{DL}^E$ قد زادت بشكل كبير في Gd$_{23}$Co$_{77}$/CuO$_6$ عند 20 كلفن، حيث تكون تقريبًا ضعف تلك الموجودة في Gd$_{23}$Co$_{77}$/Pt$_5$. تظهر زاوية هول الفعالة للدوران المداري، $\xi_{DL}^j = \xi_{DL}^E \rho$، زيادة ملحوظة من -0.02 عند 300 كلفن إلى -0.25 عند 20 كلفن في عينة CuO$_x$، مما يتناقض مع القيمة الثابتة تقريبًا 0.13 في عينة Pt. بالإضافة إلى ذلك، تنخفض مقاومة الطبقات بنسبة 10% و30% عبر نفس نطاق درجات الحرارة، على التوالي.
تشير نتائجنا إلى أن العزم المداري في هذه السبائك الفيريمغناطيسية يمكن ضبطه بدقة، حيث يظهر $\xi_{DL}^E$ انخفاضًا أحادي الاتجاه مع زيادة محتوى Gd. يُعزى هذا السلوك إلى كفاءة تحويل المداري إلى دوران التي تسهلها ذرات Gd، التي تمتلك ارتباطًا سلبيًا للدوران المداري. من المهم أن كل من $\xi_{DL}^E$ وزاوية هول الفعالة للدوران المداري تعزز بشكل كبير عند درجات حرارة منخفضة، مما يبرز الدور الحاسم للترتيب المغناطيسي في شبكات Gd وCo. لا توضح هذه الملاحظات فقط الآليات الكامنة وراء تحويل المداري إلى دوران على المستوى الذري، ولكنها تقترح أيضًا نهجًا متعدد الاستخدامات لتصميم العزم المداري في الفيريمغناطيس، وبالتالي زيادة كفاءتها للتطبيقات المحتملة.
DOI: https://doi.org/10.1103/physrevlett.132.236702
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38905652
Publication Date: 2024-06-05
Author(s): Shilei Ding et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
In this study, the authors investigate the role of orbital currents in controlling magnetization in thin-film ferromagnets, specifically focusing on ferrimagnetic GdyCo100-y alloys. They demonstrate that the injection of an orbital current generates significant orbital torques, with both the sign and magnitude of these torques being adjustable through variations in Gd content and temperature. Notably, the effective spin-orbital Hall angle in a GdyCo100-y/CuOx bilayer reaches -0.25, which is substantially higher than the values observed in Co/CuOx (+0.03) and GdyCo100-y/Pt (+0.13).
The enhanced performance is attributed to the local orbital-to-spin conversion occurring at Gd sites, which is approximately five times stronger and exhibits an opposite sign compared to Co. Additionally, the authors report a considerable increase in net orbital torque at lower temperatures, linked to improved conversion efficiency resulting from the magnetic ordering of the Gd and Co sublattices. These findings highlight the potential of manipulating orbital currents for effective magnetization control in ferromagnetic materials.
Discussion
In this study, we investigate the dependence of the orbital-to-spin conversion efficiency, denoted as $\xi_{DL}^E$, on the magnetic ordering of Gd and Co sublattices in Gd$_y$Co$_{100-y}$/CuO$_x$ bilayers. Our findings reveal that $\xi_{DL}^E$ is significantly enhanced in Gd$_{23}$Co$_{77}$/CuO$_6$ at 20 K, being approximately twice that of Gd$_{23}$Co$_{77}$/Pt$_5$. The effective spin-orbital Hall angle, $\xi_{DL}^j = \xi_{DL}^E \rho$, shows a notable increase from -0.02 at 300 K to -0.25 at 20 K in the CuO$_x$ sample, contrasting with the nearly constant value of 0.13 in the Pt sample. Additionally, the resistance of the bilayers decreases by 10% and 30% across the same temperature range, respectively.
Our results indicate that the orbital torque in these ferrimagnetic alloys can be finely tuned, as $\xi_{DL}^E$ exhibits a monotonic decrease with increasing Gd content. This behavior is attributed to the efficient orbital-to-spin conversion facilitated by Gd atoms, which possess negative spin-orbit coupling. Importantly, both $\xi_{DL}^E$ and the effective spin-orbital Hall angle are significantly enhanced at lower temperatures, underscoring the critical role of magnetic order in the Gd and Co sublattices. These observations not only elucidate the mechanisms underlying orbital-to-spin conversion at an atomic level but also suggest a versatile approach to engineer orbital torque in ferrimagnets, thereby maximizing their efficiency for potential applications.