[論文レビュー] Mn4N ferrimagnetic thin films for sustainable spintronics

Toshiki Gushi, Klug, M. Jovičević+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

ZnO doping and properties参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、スズチタン酸ストロンチウム基板上に成長したエpiタキシャルMn4N薄膜が、レアアースおよび重金属を含むスピントロニクス材料の持続可能な代替材料であることを示している。この材料は垂直磁性を示し、通常のホール角（2%）が高く、スピン軌道効果トルクを必要とせず、スピン極化電流によって駆動される高 mobility のドメイン壁を示す。主な結果は、高いスピン極化と磁化の低減により、強い断熱的スピン転送トルクが発揮され、ドメイン壁速度が記録的（約1 km/s）に達することである。

ABSTRACT

Spintronics, which is the basis of a low-power, beyond-CMOS technology for computational and memory devices, remains up to now entirely based on critical materials such as Co, heavy metals and rare-earths. Here, we show that Mn4N, a rare-earth free ferrimagnet made of abundant elements, is an exciting candidate for the development of sustainable spintronics devices. Mn4N thin films grown epitaxially on SrTiO3 substrates possess remarkable properties, such as a perpendicular magnetisation, a very high extraordinary Hall angle (2%) and smooth domain walls, at the millimeter scale. Moreover, domain walls can be moved at record speeds by spin polarised currents, in absence of spin-orbit torques. This can be explained by the large efficiency of the adiabatic spin transfer torque, due to the conjunction of a reduced magnetisation and a large spin polarisation. Finally, we show that the application of gate voltages through the SrTiO3 substrates allows modulating the Mn4N coercive field with a large efficiency.

研究の動機と目的

• スピントロニクスデバイスにおけるコバルト、重金属、レアアースなど、希少な材料の持続可能な代替を提供すること。
• エピタキシャルMn4N薄膜の磁気的および輸送的性質を調査し、スピントロニクス応用に適した特性を明らかにすること。
• Mn4N/SrTiO3ヘテロ構造において、ゲート電圧を用いた磁気異方性の電場制御を実証すること。
• スピン軌道効果トルクを必要としないスピン極化電流注入下でのドメイン壁ダイナミクスを評価すること。

提案手法

• パルスレーザー蒸着法を用いて、SrTiO3 (001)基板上にエピタキシャルMn4N薄膜を成長させた。
• SQUID磁化計およびバイブレーティング・サンプル磁化計を用いて、磁気異方性および磁化を特性化した。
• 通常のホール効果を測定し、ホール角およびスピン極化度を決定した。
• スピン極化電流注入とリアルタイムイメージング技術を用いて、ドメイン壁の運動を調査した。
• SrTiO3基板を通じてゲート電圧を印加し、Mn4Nの降伏磁界を調整した。
• 断熱的スピン転送トルクモデルに基づく理論的解析を用いて、高ドメイン壁速度のメカニズムを説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn4N薄膜は、スピントロニクスデバイスに適した垂直磁気異方性を示すか？
• RQ2 Mn4Nにおける通常のホール角の大きさは何か？ これはスピン極化度にどのような意味を持つのか？
• RQ3 スピン軌道効果トルクを必要とせず、スピン極化電流のみでMn4Nのドメイン壁を高速で移動させることができるか？
• RQ4 SrTiO3基板を通じたゲート電圧によって、Mn4Nの降伏磁界はどの程度調整可能か？
• RQ5 Mn4Nにおける磁化の低減と高いスピン極化度の併存が、断熱的スピン転送トルク効率をどのように向上させるか？

主な発見

• Mn4N薄膜は、明確な垂直磁化を示し、外向きの磁化が明確に定義されている。
• 通常のホール角は2%に達し、材料内の高いスピン極化度を示している。
• スピン軌道効果トルクを必要とせず、スピン極化電流注入によってドメイン壁が記録的スピード（最大約1 km/s）で移動する。
• 高ドメイン壁移動性は、高いスピン極化度と磁化の低減が組み合わさることで生じる強い断熱的スピン転送トルクに起因する。
• SrTiO3基板を通じたゲート電圧により、Mn4Nの降伏磁界が高効率で調整可能であり、磁気異方性の電場制御が実証された。
• ミリメートルスケールで滑らかなドメイン壁が観察され、ピン留めが低く、材料の高品質性が示された。