[論文レビュー] Giant spin-orbit torque in a single ferrimagnetic metal layer

Simon Lenne, Yong‐Chang Lau+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Crystallography and Radiation Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、補償反強磁性金属Mn₂Ru₀.₇Gaの単層において、巨大なスピン軌道トルク（SOT）を実証し、効果的磁場が最大0.1×10⁻¹⁰ T·m²/Aに達することを明らかにした。これはオエルステッド場の約1000倍にのぼり、従来のバイレイヤー構造と比較して1〜2桁の強度向上を示す。高いスピン偏極と強いスピン軌道結合に起因する記録的SOT効率により、テラヘルツ帯域における持続的磁気振動が可能となり、コンact、調整可能なTHz発信器の実現に道を開く。

ABSTRACT

Antiferromagnets and compensated ferrimagnets offer opportunities to investigate spin dynamics in the 'terahertz gap' because their resonance modes lie in the 0.3 THz to 3 THz range. Despite some inherent advantages when compared to ferromagnets, these materials have not been extensively studied due to difficulties in exciting and detecting the high-frequency spin dynamics, especially in thin films. Here we show that spin-obit torque in a single layer of the highly spin-polarized compensated ferrimagnet Mn2RuxGa is remarkably efficient at generating spin-orbit fields μ_0H_eff, which approach 0.1x10-10 T m2/A in the low-current density limit -- almost a thousand times the Oersted field, and one to two orders of magnitude greater than the effective fields in heavy metal/ferromagnet bilayers. From an analysis of the harmonic Hall effect which takes account of the thermal contributions from the anomalous Nernst effect, we show that the antidamping component of the spin-orbit torque is sufficient to sustain self-oscillation. Our study demonstrates that spin electronics has the potential to underpin energy-frugal, chip-based solutions to the problem of ultra high-speed information transfer.

研究の動機と目的

• 単一の反強磁性金属層が、バイレイヤー構造の制限を超えて極めて強いスピン軌道トルクを生成できることを示すこと。
• 単層の半金属的で補償された反強磁性体としてのMn₂Ru₀.₇GaにおけるSOTの場の寄与成分および減衰の寄与成分を測定・定量すること。
• スピン軌道トルクを用いて、テラヘルツ周波数帯域（0.3–3 THz）で自己振動を維持することが可能かどうかを確立すること。
• Mn₂Ru₀.₇Gaがコンact、低消費電力、調整可能なテラヘルツ発信器の基盤としての可能性を検討すること。

提案手法

• 単層Mn₂Ru₀.₇Ga薄膜における電流誘起効果的磁場を抽出するために、異常ホール効果（AHE）の高調波解析が用いられた。
• 実験は、電流を[010]方向に印加できるマイクロサイズのホールバー構造を用い、トルク成分の正確な測定が可能であった。
• 外部の面内磁場に対する効果的磁場を正規化することで、スピン軌道トルクの寄与を分離し、背景の異方性効果を補正した。
• 基板由来の応力によって点群対称性が（ί43mからί42mに）低下する影響を考慮し、スピン軌道結合およびCISPに与える影響を分析した。
• 非中心対称ヘウスラー構造におけるスピンホール効果およびスピン軌道結合に基づく理論的モデリングを用いて、観測されたSOT強度を解釈した。
• 自己振動の条件は、SOT由来の効果的インダクタンスとデバイスの固有インダクタンスを比較することで評価され、インピーダンス整合性および振動安定性が保証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重い金属キャピング層を用いずに、単一の反強磁性金属層で巨大スピン軌道トルクを達成できるか？
• RQ2 Mn₂Ru₀.₇Gaにおける場の寄与成分と減衰の寄与成分の相対的な大きさは何か？また、バイレイヤー構造と比較してどう異なるか？
• RQ3 Mn₂Ru₀.₇Gaに強いSOTが存在する場合、テラヘルツ周波数帯域で自己振動を維持できるか？
• RQ4 異常ホール角およびスピン軌道散乱断面積が、超強力なSOTを可能にする役割は何か？
• RQ5 SOT由来の効果的インダクタンスは、コンactなデバイス形状で安定的かつ検出可能な振動を支えるのに十分か？

主な発見

• Mn₂Ru₀.₇Gaにおける効果的スピン軌道トルク磁場は、低電流密度領域でμ₀H_eff ≈ 0.1×10⁻¹⁰ T·m²/Aに達し、従来のバイレイヤー構造を1〜2桁上回る。
• 散乱（反減衰）成分と反応（場の寄与）成分の比は約3であり、散乱チャネルの強い優位性を示している。
• Ruを除く重い元素を含まないにもかかわらず、Mn₂Ru₀.₇Gaの異常ホール角は非常に大きく、電子的ハイブリダイゼーションに起因する強化されたスピン軌道結合を示唆している。
• スピン軌道散乱断面積は単位格子表面積の60%に相当し、電子の平均自由行程が非常に短く、強いスピン軌道散乱が生じていることを示している。
• 面内異方性を克服するには電流密度j ≳ 7×10¹⁰ A/m²、ギルバート減衰（α ≈ 0.01）を克服するにはj ≳ 10×10¹⁰ A/m²の条件が必要と予測された。
• SOT由来の効果的インダクタンスは、20 μmのホールバー構造の固有インダクタンス（0.1 pH）を2桁上回り、テラヘルツ帯域の振動実現可能性が裏付けられた。