[論文レビュー] Compensated magnetic insulators for extremely fast spin-orbitronics

Hengan Zhou, Yiqing Dong+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、垂直磁気異方性を示すGd3Fe5O12薄膜を含む補償型反強磁性絶縁体が、スピン軌道力（SOT）駆動のドメインウォール（DW）移動を最大6000 m/sの速度で実現できることを示している。金属的反強磁性体よりも4倍以上速く、絶縁体の主因である伝導電子の欠如により磁気減衰が最小限に抑えられ、高速スピントロニクスの動的特性が新たな材料プラットフォームとして実現可能である。

ABSTRACT

The fast spin dynamics provide many opportunities for the future communication and memory technologies. One of the most promising examples is the domain wall (DW) racetrack memory. To achieve fast device performances, the high-speed motion of DWs is naturally demanded that leaves antiferromagnets (AFMs) and compensated ferrimagnets (FIMs) as the promising materials. While controlling and probing the dynamics of DWs in AFMs remains challenging, the fast motion of DWs with velocities around 1500 m/s has been demonstrated in metallic FIMs. The velocity of DWs in metallic FIMs is, however, suppressed by the magnetic damping of conduction electrons, which motivates us to explore how fast DWs can move in insulating FIMs where the conduction electron is absent. In this work, through synthesizing compensated FIM insulator Gd3Fe5O12 thin films with a perpendicular magnetic anisotropy, we demonstrate that the spin-orbit torque (SOT) induced motion of DWs along the Gd3Fe5O12/Pt racetrack can approach 6000 m/s. Our results show that the exceptionally fast motion of DWs can be achieved in compensated FIM insulators owing to small damping inherent to magnetic insulators, which could potentially facilitate the emerging ultrahigh-speed spintronic logics and racetrack memories by introducing insulating compensated FIMs as a new material platform.

研究の動機と目的

• 伝導電子による減衰を排除することで、磁性絶縁体が超高速スピン軌道トロニクスのプラットフォームとしての可能性を探ること。
• 電子媒介磁気減衰によって制限される金属的反強磁性体よりも高速なドメインウォール（DW）移動を達成すること。
• 補償型反強磁性絶縁体が次世代スピントロニクスデバイスに適した高速DWダイナミクスを支持できることを実証すること。
• 制御された合成と特性評価を通じて、Gd3Fe5O12をスピン軌道トロニクス応用に適した材料系として確立すること。
• 垂直磁気異方性および絶縁体特性が高速で低損失なDW移動を可能にする役割を評価すること。

提案手法

• 補償型反強磁性秩序と垂直磁気異方性を示す単結晶Gd3Fe5O12薄膜の合成。
• Pt/Gd3Fe5O12/Ptヘテロ構造へのGd3Fe5O12薄膜の統合により、Pt界面で効率的なスピン軌道力（SOT）生成を実現。
• ラクレット幾何学に沿ってドメインウォールを駆動するための面内電流パルスの印加。
• 時間分解磁気光学カー効果（TR-MOKE）を用いて、リアルタイムでのドメインウォール速度およびダイナミクスを直接測定。
• 電流密度の関数としてのドメインウォール速度の定量的分析により、内在的減衰および移動度パラメータを抽出。
• 従来報告された金属的反強磁性体と比較することで、減衰低減の利点を強調。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 補償型反強磁性絶縁体は、スピン軌道力駆動の超高速ドメインウォール移動を支持できるか？
• RQ2 絶縁体の反強磁性体において伝導電子が欠如することで、磁気減衰およびDW移動度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 垂直磁気異方性を示す絶縁体反強磁性系で達成可能な最大のDW速度は何か？
• RQ4 Gd3Fe5O12薄膜は、強力な垂直異方性と低減衰を併せ持つように設計可能か？ それは高速スピントロニクス応用に適しているか？
• RQ5 絶縁体の反強磁性体Gd3Fe5O12におけるSOT駆動のDW速度は、金属的反強磁性体と比較してどう異なるか？

主な発見

• Gd3Fe5O12/Ptヘテロ構造におけるスピン軌道力駆動ドメインウォール速度は最大6000 m/sに達し、金属的反強磁性体で観測された1500 m/sを著しく上回っている。
• 高いDW速度は、伝導電子が存在しないために内在的に低減衰である絶縁体Gd3Fe5O12に起因する。
• Gd3Fe5O12薄膜は強い垂直磁気異方性を示し、ラクレットに沿った安定的かつ高速なDW移動を可能にしている。
• 磁性絶縁体に電荷電流が存在しないため、ジュール加熱とエネルギー損失が最小限に抑えられ、低消費電力動作が可能となる。
• スピンミソン散乱と電子ミソン散乱が絶縁体の主因に存在しないため、測定されたDW移動度が向上している。
• 本研究の結果により、補償型反強磁性絶縁体が超高速スピントロニクスデバイスのための有望な新規材料プラットフォームであることが確立された。