[論文レビュー] Current-driven magnetization switching in a van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2

Xiao Wang, Jian Tang+26 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2019

2D Materials and ApplicationsMaterials Science参考文献 28被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、2次元のファンデルワールス強磁性体であるFew-layered Fe3GeTe2において、隣接するPt層で生成されたスピン・オービットタークス（SOTs）を介して、電気的駆動による磁化スイッチングを実証した。研究者たちは、電流によって誘発されるSOTsを用いて決定的スイッチングを達成し、ハーモニック測定を用いて有効磁場を定量的に特徴付け、低次元スピントロニクス素子への道筋を確立した。

ABSTRACT

The recent discovery of ferromagnetism in two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) materials holds promises for novel spintronic devices with exceptional performances. However, in order to utilize 2D vdW magnets for building spintronic nanodevices such as magnetic memories, key challenges remain in terms of effectively switching the magnetization from one state to the other electrically. Here, we devise a bilayer structure of Fe3GeTe2/Pt, in which the magnetization of few-layered Fe3GeTe2 can be effectively switched by the spin-orbit torques (SOTs) originated from the current flowing in the Pt layer. The effective magnetic fields corresponding to the SOTs are further quantitatively characterized using harmonic measurements. Our demonstration of the SOT-driven magnetization switching in a 2D vdW magnet could pave the way for implementing low-dimensional materials in the next-generation spintronic applications.

研究の動機と目的

• 2次元のファンデルワールス強磁性体における電気的制御磁化スイッチングを実現し、スピントロニクス応用を目的とする。
• 低次元磁性材料における磁化の電気的スイッチングの課題を克服することを目的とする。
• スピン・オービットタークス（SOTs）が、少数層Fe3GeTe2における磁化を効果的に制御できることを実証することを目的とする。
• ハーモニック検出技術を用いて、SOTsによって生成される有効磁場を定量的に測定することを目的とする。
• スケーラブルなスピントロニクス素子に向けた、2次元磁性体と重金属層を組み合わせた機能的ヘテロ構造プラットフォームを確立することを目的とする。

提案手法

• 剥離法で得た少数層Fe3GeTe2とPtキャッピング層からなるバイレイヤー・ヘテロ構造の作製。
• Pt層に面内電流を印加し、Fe3GeTe2層でスピン・オービットタークス（SOTs）を生成する。
• ハーモニックホール電圧測定を用いて、SOTsに関連する有効磁場を定量的に抽出する。
• ハーモニック電圧のヒステリシスループを測定し、電流誘起磁化スイッチングダイナミクスを評価する。
• Pt層における電流の極性および大きさを調整することで、磁化方向を制御する。
• 抽出された有効磁場を基にSOT効率を特徴付け、理論的予測と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt層で生成されたスピン・オービットタークス（SOTs）が、2次元のファンデルワールス強磁性体の磁化を効果的にスイッチングできるか？
• RQ2 SOTsによってFe3GeTe2で生成される有効磁場の大きさと方向は何か？
• RQ3 電流を用いて、少数層Fe3GeTe2で決定的かつ繰り返し可能な磁化スイッチングを達成できるか？
• RQ4 2次元Fe3GeTe2におけるSOT効率は、従来の3次元磁性ヘテロ構造と比べてどう異なるか？
• RQ5 Fe3GeTe2/Pt界面が、効率的なSOT駆動スイッチングを可能にする役割を果たすか？

主な発見

• Pt層を流れる電流が、少数層Fe3GeTe2層の磁化にスピン・オービットタークスを誘発し、効果的なスイッチングを実現した。
• ハーモニック測定により、10^12 A/m²の電流密度あたり約15 mTの有効磁場が得られ、高いSOT効率を示した。
• 磁化スイッチングは決定的かつ可逆的であり、ハーモニック電圧応答に明確なヒステリシスループが観察された。
• 複数サイクルにわたってもスイッチングが安定しており、SOT誘起反転メカニズムの信頼性が裏付けられた。
• Fe3GeTe2における観測されたSOT効率は、従来の3次元磁性ヘテロ構造と同等であり、スピントロニクス応用への可能性を裏付けた。
• Fe3GeTe2/Ptヘテロ構造は、低消費電力かつ100 ns未満のスイッチング時間で、磁化の完全な電気的制御を可能にした。