[論文レビュー] Efficient field-free perpendicular magnetization switching by a magnetic spin Hall effect

Shuai Hu, Ding‐Fu Shao+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Mn3Snなどの非整列反強磁性体における磁気スピンホール効果を用いて、ニッケルコバルト多層膜における垂直磁化の効率的で外部磁場を要しないスイッチングを実証している。面内電流がMn3Snの磁気空間群対称性に起因するスピン極化を有する面外スピン電流を生成し、決定的で反ダミングトルクを生じさせることで、低電流、外部磁場なしのスイッチングを可能にした。従来のスピンオービットトルクデバイスに比べ、効率性と信頼性の面で優れている。

ABSTRACT

Current induced spin-orbit torques driven by the conventional spin Hall effect are widely used to manipulate the magnetization. This approach, however, is nondeterministic and inefficient for the switching of magnets with perpendicular magnetic anisotropy that are demanded by the high-density magnetic storage and memory devices. Here, we demonstrate that this limitation can be overcome by exploiting a magnetic spin Hall effect in noncollinear antiferromagnets, such as Mn3Sn. The magnetic group symmetry of Mn3Sn allows generation of the out-of-plane spin current carrying spin polarization induced by an in-plane charge current. This spin current drives an out-of-plane anti-damping torque providing deterministic switching of perpendicular magnetization of an adjacent Ni/Co multilayer. Compared to the conventional spin-orbit torque devices, the observed switching does not need any external magnetic field and requires much lower current density. Our results demonstrate great prospects of exploiting the magnetic spin Hall effect in noncollinear antiferromagnets for low-power spintronics.

研究の動機と目的

• 高磁気異方性を有する垂直磁性体のスイッチングにおいて、従来のスピンオービットトルクデバイスの非効率性と非決定的性を克服すること。
• Mn3Snのような非整列反強磁性体が、面外スピン極化を有するスピン電流を生成する可能性を調査すること。
• 最小限の電流密度で決定的かつ外部磁場なしの垂直磁化スイッチングを達成すること。
• 従来のスピン転送トルクおよびスピンオービットトルクメモリデバイスのスケーラブルで低消費電力な代替手段を実証すること。

提案手法

• 反強磁性体Mn3Snの磁気スピンホール効果の利用。Mn3Snは反転対称性が破れている非整列反強磁性体である。
• 面内電流を印加することで、磁気空間群対称性に起因するスピン極化を有する横方向の面外スピン電流を生成する。
• 生成されたスピン電流を介してスピン転送トルクを発生させるために、Mn3Sn層とNi/Co多層膜を統合する。
• 時間分解ケル効果顕微鏡を用いて磁化スイッチングダイナミクスを測定し、外部磁場なしで決定的スイッチングの挙動を確認する。
• 電流密度依存性の測定と従来のスピンオービットトルクデバイスとの比較を通じて、スイッチング効率を定量する。
• 対称性解析および第一原理計算を用いて、Mn3Snにおける磁気スピンホール効果の起源を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn3Snなどの非整列反強磁性体における磁気スピンホール効果が、垂直磁化の効率的で外部磁場を要しないスイッチングを可能にするか。
• RQ2 磁気空間群対称性が、面内電流から面外スピン電流を生成する役割を果たすか。
• RQ3 磁気スピンホール効果のスイッチング効率は、電流密度および信頼性の観点から従来のスピンオービットトルクに比べてどうか。
• RQ4 このメカニズムを用いて外部磁場なしに決定的スイッチングを達成できるか。
• RQ5 このアプローチを用いた信頼性あるスイッチングに必要な電流密度の根本的限界は何か。

主な発見

• Mn3Snにおける磁気スピンホール効果は、面内電流の下で頑健な面外スピン電流を生成し、スピントルクを効果的に発生させる。
• 誘導された反ダミングトルクにより、隣接するNi/Co多層膜における垂直磁化の決定的で外部磁場なしのスイッチングが可能となった。
• 従来のスピンオービットトルクデバイスに比べ、顕著に低い電流密度でスイッチングが達成され、優れたエネルギー効率性を示した。
• 従来のスピンオービットトルク系ではスイッチングが非決定的であるが、Mn3Snにおける対称性保護されたスピン電流のおかげで決定的となった。
• 理論的解析により、Mn3Snの磁気空間群対称性が面外スピン電流生成に不可欠であることが確認された。
• 本研究は、低消費電力で高密度なスピントロニクスメモリおよび論理デバイスへの実現可能性を示した。