Ultrafast spin transport through oxide and nitride barriers measured by inverse Spin Hall effect

Abstract

A femtosecond laser pulse triggers an ultrafast spin current (SC) pulse in a ferromagnet(FM)/heavy metal(HM) bilayer. The HM acts as a spin detector with the ability, owing to the inverse Spin Hall effect, to convert the SC into a transient charge current radiating a THz pulse. The bilayer is an efficient spintronic THz emitter (STE). In this thesis, we probe electrically the SC transport in a specific layer inserted between the FM and HM. First, we consider magnesium oxide(MgO) layer and demonstrate a short spin diffusion length of 2˚ A. Surprisingly, certain HM 5d elements can hinder the SC transmission which can be recovered through the insertion of MgO or tantalum nitride layers. We also fabricated a multilayer STEs separated by MgO layers. For a specific number of repeats, we show that its on-chip performance is doubled and significantly exceeds its free space radiation output. Furthermore, we demonstrate a spin diffusion length of ∼4nm in antiferromagnetic insulator LaFeO3.

Ein Femtosekunden-Laserpuls löst einen ultraschnellen Spinstrompuls (SC) in einer Ferromagnet(FM)/Schwermetall(HM)-Doppelschicht aus. Das HM fungiert als Spin-Detektor, der aufgrund des inversen Spin-Hall-Effekts in der Lage ist, den SC in einen transienten Ladungsstrom umzuwandeln, der einen THz-Puls ausstrahlt. Die Doppelschicht ist ein effizienter spintronischer THz-Emitter (STE). In dieser Arbeit untersuchen wir den SC-Transport in einer speziellen Schicht, die zwischen FM und HM liegt. Zunächst betrachten wir eine Magnesiumoxid(MgO)-Schicht und zeigen eine kurze Spin-Diffusionslänge von 2˚ A. Bestimmte 5d-Elemente der HM können die SC-Übertragung behindern, was durch das Einfügen von MgO- oder Tantalnitrid-Schichten behoben werden kann. Wir haben auch mehrschichtige STEs hergestellt, die durch MgO-Schichten getrennt sind, und ihre On-Chip-Leistung verdoppelt. Außerdem haben wir eine Spin-Diffusionslänge von ∼4nm im antiferromagnetischen Isolator LaFeO3 nachgewiesen.