Inverse spin Hall effect in metallic heterostructures

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-333815
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.33381

Obstbaum, Martin

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 17 Mrz 2016 06:20

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Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	17 März 2016
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Christian H. Back
Tag der Prüfung:	17 Dezember 2015
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Lehrstuhl Professor Back > Arbeitsgruppe Christian Back
Stichwörter / Keywords:	spintronics, spin Hall effect, SHE, inverse spin Hall effect, ISHE, dc spin currents, ac spin currents, spin Hall angle, Au, Pt, Au-Pt-alloys, spin orbit coupling, anisotropic magneto resistance, AMR, spin rectification, magnetization dynamics, spin pumping, ferromagnetic resonance, FMR, spin mixing conductance, metallic heterostructures
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	33381

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Zusammenfassung (Englisch)

Zusammenfassung (Englisch)

The inverse spin Hall effect (ISHE) arises from spin dependent scattering. It signifies a conversion of a longitudinal spin current into a transversal charge current. This enables spin current sensors using conventional charge-based electronics leveraging advances in technology, e.g., towards the development of magnetization based universal memory concepts, and a fundamental understanding of physical properties of spin-dependent scattering.
From an experimental point of view this PhD-thesis is placed in the greater context of magnetization dynamics. In metallic heterostructures consisting of atleast one ferromagnetic and one normal metal (non-magnetic) layer, a precessing magnetization in the ferromagnetic layer may facilitate a pure spin current across the interface into the normal metal (NM). The spin current generated by this so-called spin pumping effect is converted into a charge current by ISHE in NM. In steady-state this corresponds to a voltage drop along the normal metal which relates directly back to the amount of spin dependent scattering in NM and which is retained in one single parameter characterizing the material, the spin Hall angle. In this PhD-thesis this kind of experiment is used for the quest for materials which feature large spin Hall angles. To this end it is one of the central concerns to characterize and ultimately exclude all possible parasitic voltages, which naturally arise in an experimental setup towards magnetization dynamics. The main parasitic voltages in this respect are the ones caused by spin rectification due to anisotropic magnetoresistance in the ferromagnetic layer and the ones caused by electromagnetic induction in the measurement circuit. Ruling out these effects comprehensive and reliable estimations of the spin Hall angles for platinum, gold and of the alloys of both materials are conducted.
Furthermore, the experimental approach of using a combination of spin pumping and ISHE is used to investigate the oscillating nature of spin currents which naturally result from spin pumping. This eventually leads to the observation of the ac-ISHE in platinum measuring voltages in the GHz-regime. This observation uncovers the interesting field of ac-spintronics.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Der inverse Spin-Hall-Effekt hat seine Ursache in Spin-abhängiger Streuung. Er bezeichnet den Effekt, dass ein longitudinaler Spin-Strom in einen transversalen Ladungs-Strom umgewandelt wird. Diese Tatsache ermöglicht die Herstellung von Spin-Strom-Sensoren welche auf konventioneller, Ladungs-basierter Elektronik beruhen. Diese können wirksam eingesetzt werden um sowohl technologische Fortschritte zu erzielen, zum Beispiel bei der Entwicklung von universellen magnetischen Speichermedien, als auch das fundamentale Verständnis von physikalischen Eigenschaften der Spin-abhängigen Streuung zu erweitern.
Aus experimenteller Sicht ist die vorliegende Dissertationsschrift im umfassenderen Kontext der Magnetisierungsdynamik anzusiedeln. In einer Metall-Heterostruktur, die mindestens aus einer ferromagnetischen und einer Normal-Metall- (nicht-magnetischen) Schicht besteht, bewirkt unter betimmten Voraussetzungen eine präzedierende Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht, dass ein reiner Spin-Strom in das Normal-Metall (NM) fließt. Dieser Spin-Strom, der von diesem sognenannten Spin-Pumpen-Effekt erzeugt wird, wird durch den ISHE in NM in einen Ladungsstrom umgewandelt. In einem stationären Zustand ist dies mit einem Spannungsabfall entlang des NM verbunden, welcher einen direkten Rückschluss auf die Stärke der Spin-abhängigen Streuung in NM erlaubt. Dies mündet letztendlich in einen einzigen charakteristischen Parameter, den Spin-Hall-Winkel. In der vorliegenden Dissertationsschrift wird beschrieben, wie diese Art von Experiment dazu benutzt wurde um Materialien zu finden, die einen großen Spin-Hall-Winkel aufweisen. Hierbei wurde ein besonderes Augenmerk darauf gelegt mögliche parasitäre Spannungen, die von Natur aus in einem Magnetisierungsdynamik-Experiment zu messen sind, zu charakterisieren und letztlich auszuschließen. Die hauptsächlich beitragenden parasitären Spannungen gründen auf die sogenannte Spin-Gleichrichtung durch den anisotropen Magneto-Widerstand in der ferromagnetischen Schicht und die elektromagnetische Induktion im Mess-Stromkreis. Das Ausschließen dieser Effekte erlaubten im vorliegenden Fall eine vollständig nachvollziehbare und zuverlässige Abschätzung der Spin-Hall-Winkel für Platin, Gold und Mischungen beider Materialien. Außerdem wurde der experimentelle Ansatz der Kombination aus Spin-Pumpen-Effekt und ISHE dazu verwendet die oszillatorischen Eigenschaften von Spin-Strömen, die natürlicherweise beim Spin-Pumpen erzeugt werden, zu untersuchen. Dies führte im Rahmen dieser Arbeit zur Beobachtung des sogenannten AC-ISHE in Platin, wobei Spannungen im GHz-Bereich gemessen wurden. Diese Beobachtung ist ein möglicher Meilenstein im Forschungsbereich der AC-Spintronik.

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