Magnetic spin Hall effect in Weyl antiferromagnet

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K23423
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 水野 隼翔 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (30846499)
• Project Period (FY): 2019-08-30 – 2021-03-31
• Keywords: スピンホール効果 / 反強磁性金属

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、ワイル反強磁性体であるMn3Snの表面に生じるスピン蓄積を検出し、磁気秩序との関係を明らかにすることである。
本年度はまず初めに、スピンホール物質(Pt)と強磁性金属(FeNi)を組み合わせたT字型素子における磁気輸送特性について調べた。その結果、強磁性体における異方性磁気抵抗(AMR)効果がスピンホール効果に重畳し、測定信号の外部磁場依存性を複雑にすることが分かった。本影響を抑えるために、AMR比の小さいCoFe合金を強磁性層として用いた。
次に、Mn3Sn薄膜とCoFeを組み合わせてT字型素子を作製し、Mn3Snのスピンホール効果を測定した。本素子構造の特徴は、スピン偏極電流を強磁性層からスピンホール物質へ直接注入することにより、従来の非局所測定手法に比べて大きなスピンホール信号が得られる点にある。実際に、スピンホール効果及びその逆効果の両測定配置において、室温にて10 mΩと非局所測定法の10~100倍のスピン蓄積信号を検出することができた。抵抗差から見積もったスピンホール角は約2%であり、符号はPtと同じであった。一方で、Mn3Snの微小磁化方向に依存してスピン蓄積方向が変化する振る舞いは見られなかった。これは、Mn3Sn薄膜が多結晶体であり、磁気スピンホール効果によって生じるスピン蓄積の面内成分が補償しているためだと考えられる。本研究では、T字型素子構造が反強磁性金属Mn3Snのスピン蓄積の検出に有用であることを示した。
上記の結果に加え、同素子において、Mn3Snの異常ホール効果に由来した、300 mΩのより大きな抵抗差を検出した。本結果はワイル反強磁性金属が、T字型素子構造の応用が期待されているスピンロジック回路の材料として有用であることを示唆するものである。