[論文レビュー] Roadmap of spin-orbit torques

Qiming Shao, Peng Li+17 more|PubMed|Apr 23, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 226被引用数 33

ひとこと要約

この論文はスピン軌道トルク（SOT）の理論、材料、デバイスを総説し、機構、材料プラットフォーム、デバイスアーキテクチャ、SOT-MRAMやニューロモルフィック概念などの主要な応用を概説する。学術界と産業界における今後のSOT開発に向けた包括的ガイドを提供する。

ABSTRACT

Spin-orbit torque (SOT) is an emerging technology that enables the efficient manipulation of spintronic devices. The initial processes of interest in SOTs involved electric fields, spin-orbit coupling, conduction electron spins and magnetization. More recently interest has grown to include a variety of other processes that include phonons, magnons, or heat. Over the past decade, many materials have been explored to achieve a larger SOT efficiency. Recently, holistic design to maximize the performance of SOT devices has extended material research from a nonmagnetic layer to a magnetic layer. The rapid development of SOT has spurred a variety of SOT-based applications. In this Roadmap paper, we first review the theories of SOTs by introducing the various mechanisms thought to generate or control SOTs, such as the spin Hall effect, the Rashba-Edelstein effect, the orbital Hall effect, thermal gradients, magnons, and strain effects. Then, we discuss the materials that enable these effects, including metals, metallic alloys, topological insulators, two-dimensional materials, and complex oxides. We also discuss the important roles in SOT devices of different types of magnetic layers, such as magnetic insulators, antiferromagnets, and ferrimagnets. Afterward, we discuss device applications utilizing SOTs. We discuss and compare three-terminal and two-terminal SOT-magnetoresistive random-access memories (MRAMs); we mention various schemes to eliminate the need for an external field. We provide technological application considerations for SOT-MRAM and give perspectives on SOT-based neuromorphic devices and circuits. In addition to SOT-MRAM, we present SOT-based spintronic terahertz generators, nano-oscillators, and domain wall and skyrmion racetrack memories. This paper aims to achieve a comprehensive review of SOT theory, materials, and applications, guiding future SOT development in both the academic and industrial sectors.

研究の動機と目的

• SOTを生成または制御する理論的機構を要約する（例：スピン・ホール、 Rashba-Edelstein、 軌道ホール効果）。
• SOTを可能にする材料プラットフォームを調査する（金属、合金、トポロジカル絶縁体、2D材料、複雑酸化物）。
• SOTデバイスにおける磁気層特性の役割を議論し、アーキテクチャを比較する。
• 三端子・二端子SOT-MRAMを含むSOTベースの応用をレビューし、場自由スキームや新興デバイス（テラヘルツ発生器、ナノ発振子、ドメイン壁/スカイリオンラット・ラコストラック等）を取り上げる。
• 学術界と産業界における今後のSOT研究に向けた展望と配慮を提供する。

提案手法

• 主要なSOT生成機構を説明し分類する（スピン・ホール、 Rashba-Edelstein、軌道ホール、熱、磁子、ひずみ）。
• SOT効果との適合性を持つ材料候補を系統的にレビューする。
• 三端子と二端子のSOT-MRAMというデバイスアーキテクチャを比較し、場自由動作を実現する機構を比較する。
• SOT-MRAMの技術的考慮事項とニューロモルフィック実装の可能性について論じる。
• 将来の理論的、実験的、応用志向の研究を指針とするロードマップ風の総括を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SOTを生成または制御する主な機構は何か？
• RQ2 どの材料とヘテロ構造が実用的なデバイスに対して強いSOTを実現するのに最適か？
• RQ3 磁気層特性はSOTデバイスの性能と信頼性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 SOT駆動メモリデバイスで場自由動作を可能にするアーキテクチャやスキームは何か？
• RQ5 SOTベースの新興技術（テラヘルツ発生器、ナノ発振子、ラコストライクメモリなど）の展望と課題は何か？

主な発見

• スピン・ホール、 Rashba-Edelstein、軌道ホール、熱・磁子・ひずみ効果を含むSOT機構の統一的概要。
• SOTをサポートできる金属、合金、トポロジカル絶縁体、2D材料、複雑酸化物を網羅する材料プラットフォームの編纂。
• SOT応用における磁気層の役割とデバイスアーキテクチャの議論、特にメモリとニューロモルフィック展望に重きを置く。
• 外部場要件を排除する方式へのアプローチと三端子および二端子のSOT-MRAM構成の評価。
• スピントロニクス系テラヘルツ発生源、ナノ発振子、ドメイン壁/スカイリオンラコストラック記憶などSOT対応技術の予告。