[論文レビュー] Cluster magnetic octupole induced out-of-plane spin polarization in antiperovskite antiferromagnet

Yunfeng You, Hua Bai+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 53被引用数 89

ひとこと要約

本研究では、反perovskite反強磁性体Mn3SnNにおける面外スピン偏極（𝛔z）が、クラスター磁気八極子を介したキャリアの運動に起因するスピンプロセッションによって生じることを示している。𝛔zは、電流が八極子モーメントと平行に流れている場合にのみ出現する。著者らは、この𝛔zを用いて外部磁場を要しない、決定論的な電流駆動スピンオービットトーキー（SOT）スイッチングを垂直強磁性層で実現した。これにより、外部磁場が不要な超高速・低消費電力スピントロニクス素子の新規な道筋が開かれた。

ABSTRACT

Out-of-plane spin polarization {\sigma}_z has attracted increasing interests of researchers recently, due to its potential in high-density and low-power spintronic devices. Noncollinear antiferromagnet (AFM), which has unique 120{\deg} triangular spin configuration, has been discovered to possess {\sigma}_z. However, the physical origin of {\sigma}_z in noncollinear AFM is still not clear, and the external magnetic field-free switching of perpendicular magnetic layer using the corresponding {\sigma}_z has not been reported yet. Here, we use the cluster magnetic octupole in antiperovskite AFM Mn3SnN to demonstrate the generation of {\sigma}_z. {\sigma}_z is induced by the precession of carrier spins when currents flow through the cluster magnetic octupole, which also relies on the direction of the cluster magnetic octupole in conjunction with the applied current. With the aid of {\sigma}_z, current induced spin-orbit torque (SOT) switching of adjacent perpendicular ferromagnet is realized without external magnetic field. Our findings present a new perspective to the generation of out-of-plane spin polarizations via noncollinear AFM spin structure, and provide a potential path to realize ultrafast high-density applications.

研究の動機と目的

• 非コリネア反強磁性体における面外スピン偏極（𝛔z）の物理的起源を特定すること。
• クラスター磁気八極子の存在下で、反ペロブスカイトMn3SnNにおいて𝛔zがどのように生成されるかを実証すること。
• 反強磁性体からの𝛔zを用いて、垂直磁化を有する強磁性層の外部磁場を要しないスイッチングを達成すること。
• 非コリネアAFM系における磁気対称性の破れに基づく、𝛔zを生成する新規なメカニズムを確立すること。

提案手法

• 400 °Cで磁気スパッタリング法を用いて、MgO基板上に(110)配向のMn3SnN薄膜を成長させた。
• 2–17 GHzのマイクロ波電流注入を用いたスピン転送FMR（ST-FMR）により、スピンオービットトーキー（SOT）測定を実施した。
• ST-FMR応答のラインシープ適合を用いて、面内および面外トーキュール成分の角度依存性を抽出し、𝛔zとスピンホール効果の寄与を分離した。
• 理論的解析により、𝛔zがスピンオービット場（𝐇𝐬𝐨）とクラスター磁気八極子モーメント（𝐓）の外積に比例することが確認された。すなわち、𝛔z ∝ 𝐇𝐬𝐨 × 𝐓である。
• デバイスのプロセスでは、Mn3SnN/PyおよびMn3SnN/(Co/Pd)3ヘテロ構造をマイクロストリップおよびクロスバー構造にパターニングし、SOTスイッチング実験を実施した。
• 磁気対称性解析により、電流が八極子モーメントに対して垂直である場合には、磁気鏡対称性が保たれ、𝛔zが消えることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非コリネア反強磁性体（例：Mn3SnN）における面外スピン偏極（𝛔z）の物理的起源は何か？
• RQ2 クラスター磁気八極子モーメントの方向が電流に対してどのように配置されているかが、𝛔zの生成に与える影響は何か？
• RQ3 Mn3SnNにおける𝛔zは、垂直磁化を有する強磁性層の外部磁場を要しないスイッチングを可能にするか？
• RQ4 非コリネアスピンテクスチャの磁気対称性が、𝛔zの生成または抑制に果たす役割は何か？

主な発見

• 電流がクラスター磁気八極子モーメントと平行に流れている場合にのみ、Mn3SnNで面外スピン偏極（𝛔z）が生成され、電流が八極子に対して垂直である場合には、対称性保護により𝛔zは消える。
• 𝛔zは、スピンオービット場の影響下でキャリアのスピンがプロセッションすることに起因し、その偏極はスピンオービット場と八極子モーメントの外積に比例する（𝛔z ∝ 𝐇𝐬𝐨 × 𝐓）。
• Mn3SnN/(Co/Pd)3ヘテロ構造において、反強磁性体が誘導する電流駆動𝛔zのみを用いて、外部磁場を要しない決定論的スイッチングが実現された。
• 磁場的効果（𝜃FL,𝑧）および反減衰（𝜃AD,𝑧）トーキューのスピントーキュー比が定量的に評価され、𝛔zが両成分に寄与することが確認された。
• Mn3SnNのネール温度（475 K）のおかげで、室温でも安定した𝛔zが生成され、実用的デバイス応用に適している。
• このメカニズムは、120°三角スピンテクスチャとクラスター磁気八極子秩序を有する他の非コリネア反強磁性体に対しても一般化可能である。