Fermi-Level-Dependent Charge-to-Spin Conversion of the Two-Dimensional Electron Gas at the <i>γ</i> - <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" overflow="scroll"><mml:msub><mml:mi>Al</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>KTaO</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math> Interface

凝聚态物理 物理 自旋电子学 自旋(空气动力学) 异质结 电荷(物理) 费米能级 费米气体 联轴节(管道) 自旋霍尔效应 电子 铁磁性 材料科学 自旋极化 量子力学 冶金 热力学
作者
Jirong Sun,Zengtai Zhu,Yungu Zhu,Xiaobing Chen,Qisheng Jiang,Jinwu Wei,Chenbo Zhao,Jine Zhang,Furong Han,Huaiwen Yang,Dapeng Zhu,Hao Wu,Yuansha Chen,Fengxia Hu,Baogen Shen,Weisheng Zhao,Jing Zhang,Guoqiang Yu,Jirong Sun
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:19 (3)
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.19.034045
摘要

Charge-to-spin conversion is crucial for the application of emerging spintronic devices. A two-dimensional electron gas (2DEG) at a complex oxide interface usually possesses strong Rashba spin-orbit coupling, and spin-momentum locking offers a great possibility for efficient charge-to-spin conversion through the Rashba-Edelstein effect. Here, we report the fabrication of metallic 2DEGs in \ensuremath{\gamma}-${\mathrm{Al}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}/{\mathrm{KTaO}}_{3}$ spinel/perovskite heterostructures and investigate the charge-to-spin conversion for Py/\ensuremath{\gamma}-${\mathrm{Al}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}/{\mathrm{KTaO}}_{3}$ devices using the technique of spin-torque ferromagnetic resonance. The sizable spin splitting of the band structure results in a large current-induced spin-orbit torque efficiency with values up to around 3.6 at 5 K and about 1.1 at 300 K, which are more than an order of magnitude higher than those of heavy metals (0.07 for $\mathrm{Pt}$ at 300 K). Moreover, both theoretical and experimental results show that the charge-to-spin conversion is strongly dependent on the position of the Fermi level. These results demonstrate that optimizing the band filling of a ${\mathrm{KTaO}}_{3}$-based 2DEG is crucial for maximizing the conversion efficiency.
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