[論文レビュー] Features and Peculiarities of Gate-Voltage Modulation of Spin-Orbit Interaction in FeCoB Nanomagnets: Insights into the Physical Origins of the VCMA Effect

Vadym Zayets|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2024

Magnetic Properties of Alloys被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、FeCoB/MgO/Taナノマグネティック構造におけるゲート電圧が、スピン軌道相互作用の強度とデマグネタイゼーション場の両方を逆極性で同時に調節することを明らかにした。この結果、VCMA効果が抑制される反動効果が生じる。研究結果は、これらの2つの相反する寄与のバランスを最適化することで、エネルギー効率の高いスピントロニクス素子向けにVCMA応答を顕著に向上させられることを示唆している。

ABSTRACT

The paper investigates the systematic dependencies of the anisotropy field and the strength of spin-orbit (SO) interaction on gate voltage in Ta/FeB/MgO nanomagnets. Our findings reveal an intriguing opposite polarity in the gate-voltage dependencies of the anisotropy field and the coefficient of SO interaction across all studied nanomagnets. This opposite polarity indicates that the gate-voltage modulation of spin-orbit interaction is not the primary contributor to the voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA) effect. Instead, the gate-voltage modulation of magnetization emerges as the most probable candidate, given its polarity aligns with the observed modulation of anisotropy. The modulation of magnetic anisotropy is influenced by two major contributions of opposite polarities, which effectively counterbalance each other and reduce the overall VCMA effect. Optimizing the balance between these contributions could potentially lead to a substantial enhancement of the VCMA effect. Our measurements did not detect any modulation of the in-plane component of spin accumulation by the gate voltage.

研究の動機と目的

• ゲート電圧がFeCoBベースのナノマグネティック構造におけるスピン軌道相互作用および磁気異方性の調節に与える影響を体系的・系統的に調査すること。
• 特に界面スピン軌道結合およびデマグネタイゼーション場の役割を含め、電圧制御磁気異方性（VCMA）効果の物理的起源を特定すること。
• ゲート電圧が磁気異方性以外の界面電子状態、例えばスピン蓄積に影響を与えるかどうかを検証すること。
• スピン軌道相互作用とデマグネタイゼーション場の間の相乗的相互作用が、VCMA応答にどのように寄与するかを明確にすること。

提案手法

• スピン軌道相互作用の強度は、係数 $ k_{so} $ を用いて定量的に評価された。この $ k_{so} $ は、外部の面内磁場 $ H_z $ に対する異方性磁場 $ H_{ani} $ の線形依存性を $ H_{ani} - H_z $ 対 $ H_z $ のフィッティングから抽出した。
• Ta/FeB/MgO ナノマグネティック構造において、変化するゲート電圧下で $ k_{so} $ および固有の異方性磁場 $ H^0_{ani} $ のゲート電圧依存性を測定した。
• スピン蓄積を調査するために、電流方向に対して平行および垂直方向の面内磁場成分 $ H_{||} $ を測定し、ゲート電圧による変化の有無に特に注目した。
• 実験装置により、変化するゲート電圧および電流バイアス下で、$ H_{ani} $、$ k_{so} $、および $ H_{||} $ を同時に測定することが可能になった。
• 理論的解析により、ゲート電圧によって生じる電場がFeB/MgO界面における軌道分布の変化を引き起こし、その結果 $ k_{so} $ の変化が生じることを結びつけた。
• スピン蓄積やスピンホール効果の寄与に顕著な変化が観察されないことは、$ H_{||} $ のゲート電圧依存性の欠如に基づいて、除外された。

Figure 1: (a) Experimental setup for measuring strength of spin- orbit interaction of FeB nanomagnet under gate voltage. (b) Layer stack

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート電圧は、FeBナノマグネティック構造におけるスピン軌道相互作用の強度（$ k_{so} $ で定量化）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 固有の異方性磁場 $ H^0_{ani} $ のゲート電圧依存性の極性は何か？ また、$ k_{so} $ の依存性と比較するとどうなるか？
• RQ3 デマグネタイゼーション場はVCMA効果にどの程度寄与しており、ゲート電圧によって変化するか？
• RQ4 $ H_{||} $ を用いた検出において、ゲート電圧が面内スピン蓄積の成分に影響を与えるか？
• RQ5 ゲート電圧下で観察された $ k_{so} $ と $ H^0_{ani} $ の逆極性の主な物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 全数のナノマグネティック構造において、スピン軌道相互作用係数 $ k_{so} $ と固有の異方性磁場 $ H^0_{ani} $ のゲート電圧依存性が、いずれも逆極性を示した。
• スピン軌道相互作用の強度およびデマグネタイゼーション場の両方が、ゲート電圧によって効果的に制御可能であり、高いゲート電圧で増加する傾向を示した。
• これらの2つの寄与の逆極性が相殺効果を生じさせ、結果として全体のVCMA応答が低減した。
• 面内磁場成分 $ H_{||} $ には、測定可能なゲート電圧依存性が観察されず、スピン蓄積のゲート電圧による顕著な変化はなかった。
• 結果から、ゲート電圧による界面軌道再配分が、$ k_{so} $ およびデマグネタイゼーション場の両方の制御に重要なメカニズムであると示唆された。
• これらの相反する寄与のバランスを最適化することで、VCMA効果の顕著な強化が可能となる。

Figure 2: Anisotropy field $H_{ani}$ as a function of external perpendicular-to-plane magnetic field $H_{z}$ measured at a different gate voltage $V_{gate}$ .