[論文レビュー] Efficient current-induced spin torques and field-free magnetization switching in a room-temperature van der Waals magnet

Chao Yun, Haoran Guo+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、室温におけるFe3GaTe2/Ptファンデルワールスヘテロ構造において、効率的な電流駆動スピントロープと磁場フリーの磁化スイッチングを実証した。内在する垂直磁気異方性と非対称な幾何構造を活用することで、外部磁場を一切用いずに完全な電流駆動スイッチングを達成し、低消費電力のスピントロニクス素子における高いスピントロープ効率を実現した。

ABSTRACT

The discovery of magnetism in van der Waals (vdW) materials has established unique building blocks for the research of emergent spintronic phenomena. In particular, owing to their intrinsically clean surface without dangling bonds, the vdW magnets hold the potential to construct a superior interface that allows for efficient electrical manipulation of magnetism. Despite several attempts in this direction, it usually requires a cryogenic condition and the assistance of external magnetic fields, which is detrimental to the real application. Here, we fabricate heterostructures based on Fe3GaTe2 flakes that possess room-temperature ferromagnetism with excellent perpendicular magnetic anisotropy. The current-driven non-reciprocal modulation of coercive fields reveals a high spin-torque efficiency in the Fe3GaTe2/Pt heterostructures, which further leads to a full magnetization switching by current. Moreover, we demonstrate the field-free magnetization switching resulting from out-of-plane polarized spin currents by asymmetric geometry design. Our work could expedite the development of efficient vdW spintronic logic, memory and neuromorphic computing devices.

研究の動機と目的

• 室温におけるファンデルワールズ磁性体における磁気の効率的電気的制御を達成すること。
• 従来のスピントロープ実験における低温動作および外部磁場の制限を克服すること。
• 2次元磁性ヘテロ構造において、電流駆動スピントロープを用いた磁場フリーの磁化スイッチングを実証すること。
• ファンデルワールズベースのスピントロニクス素子におけるスピントロープ効率を定量すること。
• スピン論理、メモリ、ニューロモーフィックコンピューティングにおける実用的応用を可能にすること。

提案手法

• Fe3GaTe2のエキスフォリエートドフラクションを用いた、室温で内在的にフェリオマグネティックなFe3GaTe2/Ptヘテロ構造の作製。
• 非対称なデバイス幾何構造を用いて、垂直方向に偏光したスピン電流を生成。
• 電流注入下での非可逆的コerc力変調を測定し、スピントロープ効率を推定。
• 電気的輸送測定を用いて、電流駆動による完全な磁化スイッチングを確認。
• 磁化状態の安定化のため、Fe3GaTe2における垂直磁気異方性の特徴付け。
• ファンデルワールズヘテロ構造の清浄で原子的に滑らかな界面を活用し、散乱を低減し、スピン注入を向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温におけるファンデルワールズ磁性体で、効率的な電流駆動スピントロープを達成できるか？
• RQ2 スピン軌道トロープを用いて、2次元磁性ヘテロ構造で磁場フリーの磁化スイッチングが可能か？
• RQ3 Fe3GaTe2/Ptヘテロ構造におけるスピントロープ効率は、従来の材料と比べてどのように異なるか？
• RQ4 非対称な幾何構造が、スイッチングに寄与する垂直方向に偏光したスピン電流をどのように実現するか？
• RQ5 外部磁場を一切用いずに、室温で低消費電力の磁化スイッチングを実現できるか？

主な発見

• Fe3GaTe2/Ptヘテロ構造は、強い垂直磁気異方性を示す室温フェリオマグネティズムを示す。
• 電流注入下でのコerc力の非可逆的変調は、高いスピントロープ効率を確認する。
• 外部磁場を一切用いずに、完全な電流駆動磁化スイッチングが達成された。
• 非対称な幾何構造により、垂直方向に偏光したスピン電流が生成され、磁場フリーのスイッチングが実現された。
• クリーンなファンデルワールズ界面とPtにおける高いスピン軌道結合のおかげで、スピントロープ効率が顕著に向上した。
• 本系は、室温で安定的かつ繰り返し可能なスイッチングを示し、実用的なスピントロニクス応用に適している。