[論文レビュー] Field-free deterministic switching of a perpendicularly polarized magnet using unconventional spin-orbit torques in WTe2

I-Hsuan Kao, Ryan Muzzio+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

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

ひとこと要約

本研究では、低対称性の量子材料であるタングステンジテルリド（WTe2）における非標準的スピン軌道トーキーを用いて、外部磁場を要しない垂直磁化van der Waals（vdW）磁性体の決定的スイッチングを実証した。WTe2で生成される垂直方向の反ダミングスピン軌道トーキーにより、外部磁場が不要な状態で電流駆動による垂直磁化の反転が信頼性高く実現可能であり、数値シミュレーションおよび実験的測定で確認された。

ABSTRACT

Spin-orbit torque (SOT) driven deterministic control of the magnetization state of a magnet with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is key to next generation spintronic applications including non-volatile, ultrafast, and energy efficient data storage devices. But, field-free deterministic switching of perpendicular magnetization remains a challenge because it requires an out-of-plane anti-damping torque, which is not allowed in conventional spin source materials such as heavy metals (HM) and topological insulators due to the system's symmetry. The exploitation of low-crystal symmetries in emergent quantum materials offers a unique approach to achieve SOTs with unconventional forms. Here, we report the first experimental realization of field-free deterministic magnetic switching of a perpendicularly polarized van der Waals (vdW) magnet employing an out-of-plane anti-damping SOT generated in layered WTe2 which is a low-crystal symmetry quantum material. The numerical simulations confirm that out-of-plane antidamping torque in WTe2 is responsible for the observed magnetization switching in the perpendicular direction.

研究の動機と目的

• スピン軌道トーキーを用いて、外部磁場なしで垂直に偏光した磁性体の決定的スイッチングを達成すること。
• 従来のスピン源（例：高密度金属、トポロジカル絶縁体）に見られる対称性の制限を克服し、垂直方向の反ダミングトーキーを禁止する要因を解消すること。
• WTe2のような低対称性の量子材料を活用して、非標準的スピン軌道トーキーを生成すること。
• WTe2が垂直方向の反ダミングトーキーを発生させ、垂直磁化をスイッチング可能であることを、実験的および数値的手段で実証すること。
• 外部磁場を必要とせず、非揮発的かつ超高速なスピントロニクスメモリ素子を実現すること。

提案手法

• 2次元磁性半導体（CrGeTe3）とWTe2を組み合わせたvan der Waalsヘテロ構造を用い、WTe2をスピン軌道トーキー源として統合した。
• WTe2の低対称性を活用して逆転対称性および時間反転対称性を破り、面内電流を印加することでスピン軌道トーキーを生成した。
• 異常ホール効果を用いて磁化スイッチングを測定し、垂直磁化の決定的反転を検出した。
• スピン拡散およびトーキーモデルに基づく数値的シミュレーションを実施し、WTe2に垂直方向の反ダミングトーキーが存在することを確認した。
• 角度分解磁気光学カー効果および磁気輸送測定を用いて、スイッチングダイナミクスおよびトーキーの対称性を特徴付けた。
• 理論的予測と実験的スイッチング行動を比較することで、非標準的スピン軌道トーキーのメカニズムを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低対称性材料における非標準的スピン軌道トーキーを用いて、外部磁場なしで垂直に偏光した磁性体の決定的スイッチングを達成できるか？
• RQ2 WTe2における垂直方向の反ダミングスピン軌道トーキーの生成に、結晶対称性が果たす役割は何か？
• RQ3 WTe2は外部磁場なしで、垂直磁化を反転させるのに十分な反ダミングトーキーを生成できるか？
• RQ4 実験的に観測されたスイッチング行動は、WTe2における非標準的SOTの理論的予測とどのように一致するか？
• RQ5 観測された垂直方向スピン軌道トーキーの起源は何か？また、高密度金属における従来のSOTとはどのように異なるか？

主な発見

• WTe2からのスピン軌道トーキーを用いて、実験的に外部磁場なしで垂直に偏光したCrGeTe3磁性体の決定的スイッチングを達成した。
• スイッチングは、WTe2の低対称性に起因する垂直方向の反ダミングトーキーによって駆動された。
• 数値的シミュレーションにより、観測されたスイッチング行動がWTe2に顕著な垂直方向反ダミングトーキーが存在することと整合することが確認された。
• 外部磁場が不要な状態で再現性があり、電流制御による磁化反転が実現されたことから、スイッチング効率が裏付けられた。
• 本研究では、WTe2が従来の材料に制限を受けることなく、垂直磁化を操作可能な非標準的スピン軌道トーキーを生成できることを示した。
• 本研究の結果により、WTe2は、決定的かつ非揮発的メモリ動作を実現する次世代のエネルギー効率の高いスピントロニクス素子のための有望なプラットフォームであることが確立された。