[論文レビュー] Coexistence of non-trivial van der Waals magnetic orders enable field-free spin-orbit torque switching at room temperature

Bing Zhao, Lakhan Bainsla+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2023

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ひとこと要約

本研究では、室温下で場零下、決定論的なスピンオービットトルク（SOT）スイッチングを、van der Waals（vdW）磁性ヘテロ構造（Co0.5Fe0.5)5-xGeTe2（CFGT）とPtの間に実現した。CFGTに内在するフェロ磁性と反強磁性の共存が交換バイアスとねじれた垂直磁性を誘発し、臨界電流密度8×10⁻² A/μm²で効率的なSOTスイッチングを可能にした。さらに、1 MA/cm²あたり約8.0 mTの大きな有効場を達成した。

ABSTRACT

The discovery of van der Waals (vdW) magnetic materials exhibiting non-trivial and tunable magnetic interactions can give rise to exotic magnetic states, which are not readily attainable with conventional materials. Such vdW magnets can provide a unique platform for studying new magnetic phenomena and realizing magnetization dynamics for energy-efficient and non-volatile spintronic memory and computing technologies. Here, we discover the coexistence of ferromagnetic and antiferromagnetic orders in vdW magnet (Co0.5Fe0.5)5-xGeTe2 (CFGT) CFGT above room temperature, inducing an intrinsic exchange bias and canted perpendicular magnetism. Such non-trivial intrinsic magnetic order enables us to realize energy-efficient, magnetic field-free, and deterministic spin-orbit torque (SOT) switching of CFGT in heterostructure with Pt. The devices show a very large spin Hall conductivity, a low critical current density, and yield a large SOT effective field. These experiments, together with density functional theory and Monte Carlo simulations establish coexisting non-trivial magnetic orders in CFGT that enable field-free SOT magnetization dynamics in spintronic devices.

研究の動機と目的

• 室温下でエネルギー効率が良く、場零下かつ決定論的なスピンオービットトルク（SOT）スイッチングをスピントロニクス素子で実現すること。
• 特に共存するフェロ磁性（FM）および反強磁性（AFM）状態を含む非自明な磁性秩序が、場零下SOTスイッチングを可能にする役割を解明すること。
• 1つのvdW材料に内在する交換バイアスとねじれた磁性が、従来のFM/AFMヘテロ構造に代わることを示すこと。
• 2次元van der Waals磁性体を用いたスケーラブルで、非揮発的かつ低消費電力なスピントロニクスメモリおよびコンピューティング技術の基盤を確立すること。

提案手法

• スピンオービットトルク（SOT）測定を可能にするために、剥離した（Co0.5Fe0.5)5-xGeTe2（CFGT）フラクスを用いてPt/CrFtヘテロ構造を作製した。
• SOT誘起磁化スイッチングを検出するために、スピンホール磁気抵抗（SMR）および高調波ホール電圧測定を実施した。
• CFGT内の原子構造およびFe空孔配置を確認するため、高分解能走査型透過電子顕微鏡（STEM）とHAADFおよびEDXSを用いた。
• 温度依存磁化を測定し、室温以上での磁性秩序を確認するため、SQUID磁化測定を実施した。
• FMおよびAFM秩序の共存とその磁気異方性および交換バイアスに与える影響をモデル化するため、密度汎関数理論（DFT）計算およびモンテカルロシミュレーションを実施した。
• SOT効果の正確な検出のため、位相同期および位相反位の高調波電圧を測定するためのロックイン増幅技術を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの2次元van der Waals磁性体に共存するフェロ磁性および反強磁性秩序が、室温下で場零下SOTスイッチングを可能にするか。
• RQ2 内在する交換バイアスとねじれた磁性が、vdWヘテロ構造における決定論的で低電流SOTスイッチングを可能にする役割は何か。
• RQ3 CFGTにおける磁気異方性およびスピンオービット結合が、観測された大きな有効SOT場および低臨界電流密度にどのように寄与しているか。
• RQ4 DFTおよびモンテカルロシミュレーションが、CFGTにおける非自明な磁性秩序の実験的観察をどの程度再現できるか。
• RQ5 Pt/CFGTヘテロ構造で観測されたスピンホール電導度およびSOT効率は、vdW磁性体の内在的磁性特性に起因するか。

主な発見

• CFGTにおけるフェロ磁性と反強磁性の共存が、300 Kで+75 mTの顕著な交換バイアス効果（HEB）を誘発した。
• 系は、室温以上でも持続するネット磁化を有するねじれた垂直磁性を示した。
• 臨界電流密度8×10⁻² A/μm²で場零下SOTスイッチングを達成し、従来のSOTデバイスと比較して顕著に低い値であった。
• Pt層で3×10⁵ ħ/2e Ω⁻¹m⁻¹の大きなスピンホール電導度が測定され、強いスピンオービット結合を示した。
• SOT有効場は1 MA/cm²あたり約8.0 mTに達し、磁化スイッチングにおける高い効率性を示した。
• DFTおよびモンテカルロシミュレーションにより、FMおよびAFM秩序の共存の安定性が確認され、交換バイアスおよびねじれた磁性の起源が説明された。