[論文レビュー] Intrinsic spin Hall torque in a moire Chern magnet

Charles Tschirhart, Evgeny Redekop+10 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、モーリークリスタル磁性体であるABスタック型MoTe2/WSe2において、内部スピン軌道結合を介して電流が逆転可能な磁気ドメインを誘起する内在的スピンホールトルク駆動磁気スイッチングを実証した。スイッチングは$10^3\,\text{A} \cdot \text{cm}^{-2}$という低電流密度で発生し、ナノスケールのイメージングによりドメイン反転が高いベリー曲率領域と一致していることが確認され、トポロジカルなバンド構造と2次元ファンデルワールスヘテロ構造における効率的なスピントルクとの直接的関連が確立された。

ABSTRACT

In spin torque magnetic memories, electrically actuated spin currents are used to switch a magnetic bit. Typically, these require a multilayer geometry including both a free ferromagnetic layer and a second layer providing spin injection. For example, spin may be injected by a nonmagnetic layer exhibiting a large spin Hall effect, a phenomenon known as spin-orbit torque. Here, we demonstrate a spin-orbit torque magnetic bit in a single two-dimensional system with intrinsic magnetism and strong Berry curvature. We study AB-stacked MoTe2/WSe2, which hosts a magnetic Chern insulator at a carrier density of one hole per moire superlattice site. We observe hysteretic switching of the resistivity as a function of applied current. Magnetic imaging using a superconducting quantum interference device reveals that current switches correspond to reversals of individual magnetic domains. The real space pattern of domain reversals aligns precisely with spin accumulation measured near the high-Berry curvature Hubbard band edges. This suggests that intrinsic spin- or valley-Hall torques drive the observed current-driven magnetic switching in both MoTe2/WSe2 and other moire materials. The switching current density of 10^3 Amps per square centimeter is significantly less than reported in other platforms paving the way for efficient control of magnetic order.

研究の動機と目的

• 外部スピン注入層を用いずに、1つの2次元モーリーヘテロ構造で電流誘起磁気スイッチングを実証すること。
• 内在的磁性と強いベリー曲率を示すチェルン絶縁体におけるスピン軌道トルクの微視的起源を特定すること。
• チェルン絶縁体相における高ベリー曲率バンド端でのスピン蓄積と電流駆動ドメイン反転との直接相関を確立すること。
• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造を用いて、効率的かつ低消費電力な磁気スイッチングを実現し、スピントロニクスメモリ応用に適すること。
• ナノスケール磁気イメージングと輸送測定を用いて、内在的スピンホール効果が磁気反転を駆動する役割を検証すること。

提案手法

• 60°のねじれ角を有するABスタック型MoTe2二層/WSe2単層ヘテロ構造を形成し、モーリー超格子（$\lambda \approx 4.6\,\text{nm}$）を構築した。
• 上部および下部のゲートを用いてキャリア密度を調整し、$\nu = -1$ホール充満度で磁気チェルン絶縁体相を誘発した。
• 1.6\,\text{K}で2端子輸送測定を実施し、ドーピング電流下でのヒステリック抵抗スイッチングを観測した。
• 下部ゲートを用いたモード変調と併用したナノSQUIDベース磁気イメージングにより、100 nm未満の空間分解能で局所的磁化をマッピングした。
• 電流変調法および勾配磁気測定法を用いて、交流磁場応答を検出し、$\delta B$信号から$m_z$を再構成した。
• フーリエ変換技術を用いて、$B_z$データから磁化マップを抽出し、磁化モーメントが完全に垂直方向であると仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部スピン注入層を用いずに、2次元モーリークリスタル磁性体における内在的スピンホールトルクが磁気スイッチングを駆動できるか？
• RQ2 電流誘起ドメイン反転の空間パターンが、電子バンド構造における高ベリー曲率領域と相関しているか？
• RQ3 この内在的2次元系で再現可能な磁気スイッチングを誘発するための最小電流密度はどの程度か？
• RQ4 チェルン絶縁体相におけるハーバードバンド端近傍のスピン蓄積と局所的磁気応答の相関は何か？
• RQ5 ナノスケール磁気イメージングにより、電流駆動スイッチングにおけるスピン軌道結合の役割を解明できるか？

主な発見

• $\nu = -1$におけるモーリークリスタル絶縁体相で、ドーピング電流下にヒステリック抵抗スイッチングが観測され、電流駆動磁気スイッチングが示された。
• ナノSQUIDを用いたナノスケール磁気イメージングにより、電流誘起ドメイン反転がハーバードバンド端付近の高ベリー曲率領域と正確に一致することが明らかになった。
• スイッチング電流密度は$10^3\,\text{A} \cdot \text{cm}^{-2}$で測定され、従来のスピン軌道トルク系と比較して顕著に低減していた。
• 異常ホール抵抗が$h/e^2$で量子化されたことで、$\nu = -1$で量子異常ホール効果が存在することが確認された。
• 磁気ドメイン反転は再現可能であり、スピン蓄積と空間的に相関していたことから、内在的スピンホールトルクの役割が支持された。
• 下部ゲートのモード変調と勾配磁気測定法の併用により、100 nm未満の空間分解能で磁化ダイナミクスの高分解能マッピングが可能になった。