[論文レビュー] Planar Hall torque

Christopher Safranski, Eric Montoya+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 30被引用数 40

ひとこと要約

本稿では、バイレイヤーの強磁性層における平面Hall電流によって生成される、スピン軌道効果—平面Hall効果トルク—を提案する。このトルクは、二軸対称性を示す調整可能な磁気減衰として作用し、巨大スピンホール効果トルクと同等のトルク大きさを達成しており、磁化の自己励振を可能にし、エネルギー効率の高い磁気メモリデバイスへの新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

Spin-orbit torques in bilayers of ferromagnetic and nonmagnetic materials hold promise for energy efficient switching of magnetization in nonvolatile magnetic memories. Previously studied spin Hall and Rashba torques originate from spin-orbit interactions within the nonmagnetic material and at the bilayer interface, respectively. Here we report a spin-orbit torque that arises from planar Hall current in the ferromagnetic material of the bilayer and acts as either positive or negative magnetic damping. This planar Hall torque exhibits unusual biaxial symmetry in the plane defined by the applied electric field and the bilayer normal. The magnitude of the planar Hall torque is similar to that of the giant spin Hall torque and is large enough to excite auto-oscillations of the ferromagnetic layer magnetization.

研究の動機と目的

• バイレイヤー構造の強磁性層における平面Hall電流に起因する新しいスピン軌道効果トルクメカニズムの特定と特性評価を目的とする。
• このトルクの対称性および角度依存性、特に電界とバイレイヤー法線が定める平面における二軸的性質を理解することを目的とする。
• 平面Hall効果トルクの大きさを、既存のスピンホール効果トルクおよびラシュバ効果トルクと比較して評価することを目的とする。
• このトルクが強磁性層の磁化に自己励振を誘発できる可能性を検討することを目的とする。

提案手法

• 強磁性/非磁性バイレイヤー系におけるスピン軌道効果の理論的モデリングを行い、強磁性層内の平面Hall電流に注目する。
• スピン軌道相互作用ハミルトニアンと電流誘起スピン蓄積を用いたトルクの対称性および角度依存性の分析。
• 面内電界下における強磁性体内での平面Hall効果に起因するスピン電流から、トルクの式を導出する。
• 対称性およびスケーリングの議論を用いて、平面Hall効果トルクの大きさを巨大スピンホール効果トルクおよびラシュバ効果トルクと比較する。
• 磁化ダイナミクスの数値シミュレーションにより、平面Hall効果トルクの作用下での自己励振の励起を示す。
• 電界とバイレイヤー法線がなす平面におけるトルクの二軸的性質を確認するため、対称性解析を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強磁性バイレイヤーにおける平面Hall効果トルクの起源と物理的メカニズムは何か？
• RQ2 平面Hall効果トルクの対称性は、従来のスピンホール効果またはラシュバ効果トルクとどのように異なるか？
• RQ3 平面Hall効果トルクの大きさは、既存のスピン軌道効果トルクと比べてどの程度か？
• RQ4 平面Hall効果トルクは、強磁性層の磁化に自己励振を誘起できるか？
• RQ5 平面Hall効果トルクが正または負の磁気減衰として作用する条件は何か？

主な発見

• 平面Hall効果トルクは、強磁性層内でのスピン軌道結合に起因し、非磁性層や界面でのメカニズムとは明確に異なる。
• 印加電界とバイレイヤー法線が定める平面において、このトルクは二軸対称性を示す。これは従来のスピン軌道効果トルクには見られない特徴である。
• 平面Hall効果トルクの大きさは、巨大スピンホール効果トルクと同等であり、デバイス応用において顕著な有効性を示す。
• 平面Hall効果トルクは、電流の向きおよび材料パラメータに応じて、正または負の磁気減衰として作用する。
• このトルクは、強磁性層の磁化に自己励振を誘起するのに十分な強さであることが示され、その動的応用可能性が裏付けられた。
• 平面Hall効果トルクメカニズムは、界面効果や非磁性層の効果に依存するのではなく、強磁性層の固有の性質を活用する新たなスピン軌道効果トルク生成ルートを提供する。