The unidirectional spin Hall magnetoresistance (USMR) is one of the most complex spin-dependent transport phenomena in ferromagnet/nonmagnet bilayers, which involves spin injection and accumulation due to the spin Hall effect, spin-dependent scattering, and magnon scattering at the interface or in the bulk of the ferromagnet. While USMR in metallic bilayers has been studied extensively in very recent years, its magnitude (∼10−5) is too small for practical applications. Here, we demonstrate a giant USMR effect in a heterostructure of BiSb topological insulator – GaMnAs ferromagnetic semiconductors. We obtained a large USMR ratio of 1.1% and found that this giant USMR is governed not by the giant magnetoresistancelike spin-dependent scattering but by magnon emission/absorption and strong spin-disorder scattering in the GaMnAs layer. Our results provide new insights into the complex physics of USMR, as well as a strategy for enhancing its magnitude for device applications.

1.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
J.
Mendil
,
A.
Ghosh
,
N.
Blasakis
,
M.
Gabureac
, and
M.
Trassin
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
192405
(
2015
).
2.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
A.
Ghosh
,
M.
Gabureac
,
S. F.
Alvarado
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Phys.
11
,
570
(
2015
).
3.
K.
Olejník
,
V.
Novák
,
J.
Wunderlich
, and
T.
Jungwirth
,
Phys. Rev. B
91
,
180402(R)
(
2015
).
4.
J.
Daughton
,
Thin Solid Films
216
,
162
(
1992
).
5.
K.
Yasuda
,
A.
Tsukazaki
,
R.
Yoshimi
,
K. S.
Takahashi
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
127202
(
2016
).
6.
Yang
Lv
,
J.
Kally
,
D.
Zhang
,
J. S.
Lee
,
M.
Jamali
,
N.
Samarth
, and
J. P.
Wang
,
Nat. Commun.
9
,
111
(
2018
).
7.
A. R.
Mellnik
,
J. S.
Lee
,
A.
Richardella
,
J. L.
Grab
,
P. J.
Mintun
,
M. H.
Fischer
,
A.
Vaezi
,
A.
Manchon
,
E. A.
Kim
,
N.
Samarth
, and
D. C.
Ralph
,
Nature
511
,
449
(
2014
).
8.
Y.
Fan
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Kou
,
M.
Lang
,
S.
Takei
,
Z.
Wang
,
J.
Tang
,
L.
He
,
L. T.
Chang
,
M.
Montazeri
,
G.
Yu
,
W.
Jiang
,
T.
Nie
,
R. N.
Schwartz
,
Y.
Tserkovnyak
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Mater.
13
,
699
(
2014
).
9.
D. C.
Mahendra
,
R.
Grassi
,
J. Y.
Chen
,
M.
Jamali
,
D. R.
Hickey
,
D.
Zhang
,
Z.
Zhao
,
H.
Li
,
P.
Quarterman
,
L.
Yang
,
M.
Li
,
A.
Manchon
,
K. A.
Mkhoyan
,
T.
Low
, and
J. P.
Wang
,
Nat. Mater.
17
,
800
(
2018
).
10.
N. H. D.
Khang
,
Y.
Ueda
, and
P. N. H.
Hai
,
Nat. Mater.
17
,
808
(
2018
).
11.
T.
Shirokura
,
K.
Yao
,
Y.
Ueda
, and
P. N.
Hai
, preprint arXiv:1810.10840 (
2018
).
12.
C. O.
Avci
,
J.
Mendil
,
G. S. D.
Beach
, and
P.
Gambardella
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
087207
(
2018
).
13.
I. V.
Borisenko
,
V. E.
Demidov
,
S.
Urazhdin
,
A. B.
Rinkevich
, and
S. O.
Demokritov
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
062403
(
2018
).
14.
S. S. L.
Zhang
and
G.
Vignale
,
Phys. Rev. B
94
,
140411
(
2016
).
15.
F.
Matsukura
,
H.
Ohno
,
A.
Shen
, and
Y.
Sugawara
,
Phys. Rev. B
57
,
R2037
(
1998
).
16.
K. W.
Edmonds
,
K. Y.
Wang
,
R. P.
Campion
,
A. C.
Neumann
,
N. R. S.
Farley
,
B. L.
Gallagher
, and
C. T.
Foxon
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
4991
(
2002
).
17.
K.
Yao
,
N. H. D.
Khang
, and
P. N.
Hai
,
J. Cryst. Growth
511
,
99
(
2019
).
18.
Y.
Ueda
,
N. H. D.
Khang
,
K.
Yao
, and
P. N.
Hai
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
062401
(
2017
).
19.
V.
Novák
,
K.
Olejník
,
J.
Wunderlich
,
M.
Cukr
,
K.
Výborný
,
A. W.
Rushforth
,
K. W.
Edmonds
,
R. P.
Campion
,
B. L.
Gallagher
,
J.
Sinova
, and
T.
Jungwirth
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
077201
(
2008
).
20.
M. N.
Baibich
,
J. M.
Broto
,
A.
Fert
,
F.
Nguyen Van Dau
,
F.
Petroff
,
P.
Etienne
,
G.
Creuzet
,
A.
Friederich
, and
J.
Chazelas
,
Phys. Rev. Lett.
61
,
2472
(
1988
).
21.
G.
Binasch
,
P.
Grünberg
,
F.
Saurenbach
, and
W.
Zinn
,
Phys. Rev. B
39
,
4828
(
1989
).
22.
T.
Miyazaki
and
N.
Tezuka
,
J. Magn. Magn. Mater.
139
,
L231
(
1995
).
23.
J. S.
Moodera
,
L. R.
Kinder
,
T. M.
Wong
, and
R.
Meservey
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
3273
(
1995
).
24.
N.
Mecking
,
Y. S.
Gui
, and
C. M.
Hu
,
Phys. Rev. B
76
,
224430
(
2007
).
25.
S.
Langenfeld
,
V.
Tshitoyan
,
Z.
Fang
,
A.
Wells
,
T. A.
Moore
, and
A. J.
Ferguson
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
192402
(
2016
).
26.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
M.
Gabureac
,
A.
Ghosh
,
A.
Fuhrer
,
S. F.
Alvarado
, and
P.
Gambardella
,
Phys. Rev. B
90
,
224427
(
2014
).
27.
C. P.
Weber
,
E. A.
Kittlaus
,
K. B.
Mattia
,
C. J.
Waight
,
J.
Hagmann
,
X.
Liu
,
M.
Dobrowolska
, and
J. K.
Furdyna
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
182402
(
2013
).
28.
D.
Hou
,
Z.
Qiu
,
K.
Harii
,
Y.
Kajiwara
,
K.
Uchida
,
Y.
Fujikawa
,
H.
Nakayama
,
T.
Yoshino
,
T.
An
,
K.
Ando
,
X.
Jin
, and
E.
Saitoh
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
042403
(
2012
).
29.
G.
Schmidt
,
D.
Ferrand
,
L. W.
Molenkamp
,
A. T.
Filip
, and
B. J.
van Wees
,
Phys. Rev. B
62
,
R4790
(
2000
).
30.
L.
Chen
,
X.
Yang
,
F.
Yang
,
J.
Zhao
,
J.
Misuraca
,
P.
Xiong
, and
S.
von Molnár
,
Nano Lett.
11
,
2584
(
2011
).
31.
N. T.
Tu
,
P. N.
Hai
,
L. D.
Anh
, and
M.
Tanaka
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
192401
(
2016
).
32.
A. V.
Kudrin
,
Y. A.
Danilov
,
V. P.
Lesnikov
,
M. V.
Dorokhin
,
O. V.
Vikhrova
,
D. A.
Pavlov
,
Y. V.
Usov
,
I. N.
Antonov
,
R. N.
Kriukov
,
A. V.
Alaferdov
, and
N. A.
Sobolev
,
J. Appl. Phys.
122
,
183901
(
2017
).
33.
N. T.
Tu
,
P. N.
Hai
,
L. D.
Anh
, and
M.
Tanaka
,
Appl. Phys. Express
11
,
063005
(
2018
).
34.
N. T.
Tu
,
P. N.
Hai
,
L. D.
Anh
, and
M.
Tanaka
,
Appl. Phys. Express
12
,
103004
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.