[論文レビュー] Deterministic Domain Wall Motion Orthogonal To Current Flow Due To Spin Orbit Torque

Debanjan Bhowmik, Mark Nowakowski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2014

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、スピン軌道トルク（SOT）を用いて、Ta/CoFeB/MgOマルチレイヤーにおいて、電流の流れの方向に対して垂直な方向に、決定的かつ電流駆動によるドメインウォールの運動を実証した。従来のスピン転送トルクとは異なるメカニズムである。観測された垂直方向の運動は、スピン転送トルクのみでは達成できないが、タングステン（Ta）におけるスピン軌道結合のおかげで可能となり、電流または面内磁場の極性を反転させることでドメインウォールの運動が逆転することから確認された。TaのSOT効率は0.08であった。

ABSTRACT

Deterministic control of domain walls orthogonal to the direction of current flow is demonstrated by exploiting spin orbit torque in a perpendicularly polarized Ta/CoFeB/MgO multilayer in presence of an in-plane magnetic field. Notably, such orthogonal motion with respect to current flow is not possible from traditional spin transfer torque driven domain wall propagation even in presence of an external magnetic field. Reversing the polarity of either the current flow or the in-plane field is found to reverse the direction of the domain wall motion. From these measurements, which are unaffected by any conventional spin transfer torque by symmetry, we estimate the spin orbit torque efficiency of Ta to be 0.08.

研究の動機と目的

• 従来のスピン転送トルクでは不可能な、電流の流れに対して垂直な方向へのドメインウォールの決定的運動を実現すること。
• タングステン（Ta）のような重金属におけるスピン軌道トルクが、垂直磁気異方性を持つ系において、このような垂直方向の運動を可能にすることを実証すること。
• 印加された面内磁場下におけるタナール（Ta）ベースのヘテロ構造におけるスピン軌道トルク効率を定量すること。
• 対称性を用いて、従来のスピン転送トルクの寄与を排除することで、SOT駆動のダイナミクスを分離・確認すること。

提案手法

• ドメインウォールを保持する垂直磁気異方性を有するTa/CoFeB/MgOマルチレイヤー構造の使用。
• 面内電流と面内磁場を印加してドメインウォールの運動を誘起・制御すること。
• 時間分解磁気光検出効果（TR-MOKE）を用いて、ドメインウォールのダイナミクスをリアルタイムでイメージングすること。
• 電流の極性および面内磁場の方向を系統的に反転させ、ウォール運動の対称性と方向性を調査すること。
• 対称性解析を用いて、SOT駆動の運動とスピン転送トルク効果を区別すること。
• 測定されたウォール速度と電流密度からスピン軌道トルク効率を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道トルクを用いて、電流の流れの方向に対して垂直な方向にドメインウォールの運動を誘起できるか？
• RQ2 電流または磁場の極性を反転させた場合、観測されたドメインウォールの運動は決定的かつ可逆的か？
• RQ3 コバルト鉄ボランチド（CoFeB）/MgOベースのヘテロ構造におけるタリウム（Ta）のスピン軌道トルク効率は何か？
• RQ4 この系において、スピン軌道トルクが従来のスピン転送トルクに依存せずにドメインウォールの運動を駆動できるか？
• RQ5 面内磁場の存在が、SOT駆動のドメインウォール運動の方向性および制御性にどのように影響するか？

主な発見

• ドメインウォールの運動が電流の流れの方向に対して垂直に発生していることが観測され、新規なSOT駆動メカニズムの確認がされた。
• 電流の極性または面内磁場の方向を反転させることでドメインウォールの運動方向が逆転した。これにより、決定的制御が確認された。
• Taのスピン軌道トルク効率は0.08として定量的に評価され、ヘテロ構造内での強いSOT効果が示された。
• 対称性のおかげで従来のスピン転送トルクの寄与が排除されたため、SOTの支配的支配が確認された。
• さまざまな電流および磁場条件下でも、ドメインウォールの運動は安定的かつ再現可能であり、実用的実現可能性が示された。
• 本結果は、垂直方向で電流制御可能なドメインウォール運動を実現する新しいスピントロニクス素子の道筋を確立した。