Rashba spin-orbit anisotropy and the electric field control of magnetism

ラシュバスピン・軌道異方性と磁性の電界制御

Barnes, S. E.*; 家田 淳一   ; 前川 禎通

Barnes, S. E.*; Ieda, Junichi; Maekawa, Sadamichi

電流ではなく電界を用いた強磁性超薄膜の磁性制御は、その効果が大きい場合、多くの技術的に重要な応用をもたらす。今日まで、そのような制御をもたらす磁気異方性の変化は、一般に磁性層の表面電荷ドーピングにより生じるものと理解されてきたが、一方でいくつかの重要な実験結果がこの筋書きでは説明できていない。多くの研究により、非磁性金属や半導体において、大きな表面電場がラシュバスピン・軌道結合を発生させ、伝導電子のスピン分裂を引き起こすことが示されている。磁性層では、この分裂が交換相互作用によって変調されることで、ジャロシンスキー・守谷機構を通じて大きな磁気異方性エネルギーをもたらす。この、電気的に誘起された異方性エネルギーに至る、通常とは異なるが、伝統的でもある道筋により、多くの実験における電界,膜厚,材料への依存性を説明することが可能となる。

The control of the magnetism of ultra-thin ferromagnetic layers using an electric field rather than a current, if large enough, would lead to many technologically important applications. To date, while it is usually assumed the changes in the magnetic anisotropy, leading to such a control, arises from surface charge doping of the magnetic layer, a number of key experiments cannot be understood within such a scenario. Much studied is the fact that, for non-magnetic metals or semi-conductors, a large surface electric field gives rise to a Rashba spin-orbit coupling which leads to a spin-splitting of the conduction electrons. For a magnet, this splitting is modified by the exchange field resulting in a large magnetic anisotropy energy via the Dzyaloshinskii-Moriya mechanism. This different, yet traditional, path to an electrically induced anisotropy energy can explain the electric field, thickness, and material dependence reported in many experiments.