[論文レビュー] Magnetization switching by spin-orbit torque in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer system

Shunsuke Fukami, Chaoliang Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2015

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 39被引用数 952

ひとこと要約

本研究では、スピン軌道力（SOT）を用いて、反強磁性/強磁性（AFM/FM）バイレイヤーにおいて電場誘起磁化スイッチングを実証した。PtMnからの交換結合を介して、外部磁場なしでスイッチングを達成した。この系は外部磁場が不要なSOT駆動スイッチングを示し、電流の大きさによるアナログ制御が可能なメモリスティスター的挙動を示しており、超高速・低消費電力スピントロニクスおよびニューロモーフィックデバイスへの応用が可能である。

ABSTRACT

Spin-orbit torque (SOT)-induced magnetization switching shows promise for realizing ultrafast and reliable spintronics devices. Bipolar switching of perpendicular magnetization via SOT is achieved under an in-plane magnetic field collinear with an applied current. Typical structures studied so far comprise a nonmagnet/ferromagnet (NM/FM) bilayer, where the spin Hall effect in the NM is responsible for the switching. Here we show that an antiferromagnet/ferromagnet (AFM/FM) bilayer system also exhibits a SOT large enough to switch the magnetization of FM. In this material system, thanks to the exchange-bias effect of the AFM, we observe the switching under no applied field by using an antiferromagnetic PtMn and ferromagnetic Co/Ni multilayer with a perpendicular easy axis. Furthermore, tailoring the stack achieves a memristor-like behaviour where a portion of the reversed magnetization can by controlled in an analogue manner. The AFM/FM system is thus a promising building block for SOT devices as well as providing an attractive pathway towards neuromorphic computing.

研究の動機と目的

• 反強磁性/強磁性（AFM/FM）バイレイヤー系におけるスピン軌道力（SOT）誘起磁化スイッチングの実証。
• PtMnからの交換結合を用いて垂直磁化の外部磁場なしスイッチングの達成。
• AFM/FM系のアナログ的・メモリスティスター的動作の可能性の探求。
• 交換結合の強さがドメイン壁ダイナミクスおよび磁化スイッチングメカニズムに与える影響の調査。

提案手法

• スパッタリング法を用いて、Siウェーラー上にTa/Pt/PtMn/CoNi/MgO/Taマルチレイヤー構造を形成した。
• 1.2 Tの磁場下で300 °Cでの面内アニールを施し、PtMnにおける交換結合を確立した。
• 磁化状態を調査するため、ホール抵抗（RH）と垂直磁場（HZ）の関係を測定した。
• 面内電流（ICH）を印加してスピン軌道力を作り出し、コーエリビット場（HC）およびRH-HZループの変化を観察した。
• PtMnの厚さ（tPtMn = 2.0–8.5 nm）を変化させ、交換結合の強さを調整し、スイッチング行動への影響を調査した。
• 減衰するHZを用いた磁化消去サイクルを実施し、交換結合付き試料における多領域状態の確認を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道力は、外部磁場が存在しないAFM/FMバイレイヤーで磁化スイッチングを誘起できるか？
• RQ2 PtMnからの交換結合は、SOT誘起スイッチングの対称性およびしきい値にどのように影響するか？
• RQ3 AFM/FM系は、磁化スイッチングの連続的・アナログ制御が可能なメモリスティスター的挙動を示せるか？
• RQ4 交換結合付きAFM/FMヘテロ構造では、ドメイン壁の移動と核生成のどちらが主なスイッチングメカニズムか？
• RQ5 PtMnにおけるスピンホール角は、スロンツェフスキー型SOTを生成し、その符号と大きさを測定可能か？

主な発見

• 交換結合のおかげで、外部磁場が一切不要な状態で、PtMn/CoNi FMバイレイヤーにおける垂直磁化のSOT誘起スイッチングが達成された。
• tPtMn ≥ 7.0 nmの条件下では、非バイアス状態の四重対称性から、バイアス状態の二重対称性に変わった。これは、PtMnに正のスピンホール角を持つ電流方向依存スイッチングが生じていることを示している。
• コーエリビット場（HC）は電流の大きさに応じて減少し、32 mAの電流で交換結合付きデバイスでは最大12 mTの低下が観察された。
• tPtMn = 8.0–8.5 nmのデバイスでは、パルス電流印加下で中間的ホール抵抗状態が観察され、安定な多領域構造とメモリスティスター的挙動が示された。
• 磁化消去実験により、中間状態は熱的またはオーリステッド効果によるものではなく、交換結合に起因するドメインピンニングに起因することが確認された。
• 磁場の角度依存性から、tPtMn = 8.0 nmの試料ではコンドルスキー・モデルからの逸脱が観察され、ドメイン壁移動が抑制されたことによる核生成主導のスイッチングが示された。