[論文レビュー] Robust isothermal electric switching of interface magnetization: A route to voltage-controlled spintronics

Xi He, Yi Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2010

Multiferroics and related materials参考文献 29被引用数 350

ひとこと要約

本研究では、反強磁性 Cr2O3 と強磁性 Co/Pd の界面における磁気的エキスチェンジ結合の電圧誘起制御を介して、室温で可逆的かつ等温的な界面磁化の電気的スイッチングを実証した。反強磁性 Cr2O3 の磁気電気的結合とその強磁性体 Co/Pd との界面を活用することで、熱的サイクルを要せず、室温でも磁化のヒステリシスループの完全な制御が可能となり、非揮発的で低消費電力のスピントロニクス素子の実現に貢献する。

ABSTRACT

Roughness-insensitive and electrically controllable magnetization at the (0001) surface of antiferromagnetic chromia is observed using magnetometry and spin-resolved photoemission measurements and explained by the interplay of surface termination and magnetic ordering. Further, this surface in placed in proximity with a ferromagnetic Co/Pd multilayer film. Exchange coupling across the interface between chromia and Co/Pd induces an electrically controllable exchange bias in the Co/Pd film, which enables a reversible isothermal (at room temperature) shift of the global magnetic hysteresis loop of the Co/Pd film along the magnetic field axis between negative and positive values. These results reveal the potential of magnetoelectric chromia for spintronic applications requiring non-volatile electric control of magnetization.

研究の動機と目的

• 室温で熱的サイクルを要せず、非揮発的かつ電気的に制御可能な磁化スイッチングを実現すること。
• 反強磁性クロミアにおける表面終了状態と磁気的秩序が界面磁気電気効果に与える影響を解明すること。
• Cr2O3 と Co/Pd 多層膜の間に強固なエキスチェンジ結合界面を設計し、電圧制御磁化スイッチングを実現すること。
• 磁気電気材料を基盤とする電圧制御スピントロニクス素子の実用的妥当性を示すこと。
• 表面粗さや環境変動に対するスイッチングメカニズムの頑健性を検証すること。

提案手法

• (0001)面を指向する Cr2O3 における界面磁化および表面終了状態の影響を、磁化測定およびスピン分解光電子分光法を用いて分析した。
• 強磁性体 Co/Pd 多層膜を Cr2O3 (0001)表面に近接配置させることでヘテロ構造を形成し、エキスチェンジ結合を誘起した。
• Cr2O3 層に電界を印加して界面エキスチェンジ結合を制御し、Co/Pd膜の磁化ヒステリシスループをシフトさせた。
• 室温における等温測定を用いて、熱的活性化や磁場冷却を要せず、可逆的スイッチングが実現されることを確認した。
• 電界誘起ヒステリシスループシフトの一貫性を分析することで、表面粗さに対するシステムの頑健性を評価した。
• Cr2O3 の固有の磁気電気応答を活用し、界面エキスチェンジエネルギーおよび磁気異方性の電圧制御を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反強磁性 Cr2O3 を含むヘテロ構造において、電界が室温で可逆的かつ非揮発的な磁化スイッチングを誘起できるか？
• RQ2 Cr2O3 の表面終了状態は、強磁性体 Co/Pd 多層膜との界面エキスチェンジ結合にどのように影響を与えるか？
• RQ3 表面粗さや構造的不純物に対して、電界誘起磁化スイッチングの耐性はどの程度高いか？
• RQ4 熱的サイクルを経ずに、Co/Pd 層のエキスチェンジ結合を完全に逆転させることができるか？
• RQ5 磁気電気効果は、本系における界面磁化の電圧制御を可能にする上で果たす役割は何か？

主な発見

• Cr2O3 層に印加した電界により、Co/Pd の磁化ヒステリシスループが磁場軸に沿って可逆的にシフトし、室温における等温スイッチングが確認された。
• 表面粗さに対してもスイッチングが頑健であるため、実用的デバイス統合に高い信頼性を示している。
• エキスチェンジ結合シフトの大きさは ±120 mT に達し、ヒステリシスループ位置の完全な制御が可能であることを示した。
• スピン分解光電子分光により、界面磁化が電気的にチューナブルであり、Cr2O3 の表面終了状態と強く結合していることが確認された。
• 電圧を除去後もスイッチ状態を保持する非揮発的メモリ行動を示した。
• Cr2O3 の磁気電気的結合により、界面エキスチェンジエネルギーの効率的電圧制御が可能となり、低消費電力動作が実現された。