[論文レビュー] Spin torque control of antiferromagnetic moments in NiO

Takahiro Moriyama, Kent Oda+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2017

Ichthyology and Marine Biology被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ニッケル酸化物（NiO）における反強磁性モーメントの電流駆動スピンターブル制御を実証し、約5 × 10⁷ A/cm²の低電流密度で制御を達成した。反強磁性秩序の向きはスピンホール磁気抵抗を用いて検出され、スピンターブルベースの反強磁性メモリへの道筋が開かれ、反強磁性スピントロニクス分野の発展が促進される。

ABSTRACT

For a long time, there have been no efficient ways of controlling antiferromagnets. Quite a strong magnetic field was required to manipulate the magnetic moments because of a high molecular field and a small magnetic susceptibility. It was also difficult to detect the orientation of the magnetic moments since the net magnetic moment is effectively zero. For these reasons, research on antiferromagnets has not been progressed as drastically as that on ferromagnets which are the main materials in modern spintronic devices. Here we show that the magnetic moments in NiO, a typical natural antiferromagnet, can indeed be controlled by the spin torque with a relatively small electric current density (~5 x 10^7 A/cm^2) and their orientation is detected by the transverse resistance resulting from the spin Hall magnetoresistance . The demonstrated techniques of controlling and detecting antiferromagnets would outstandingly promote the methodologies in the recently emerged "antiferromagnetic spintronics". Furthermore, our results essentially lead to a spin torque antiferromagnetic memory.

研究の動機と目的

• 高分子磁場の高さとほぼゼロのネット磁化モーメントのため、制御が困難な反強磁性モーメントを効率的に制御するという長年の課題を克服すること。
• 従来の磁化測定法が不適切な材料（例：NiO）における反強磁性秩序の向きを検出する方法を開発すること。
• 電流を用いたスピンターブルが反強磁性モーメントの再配列を誘発できることを実証し、スピントロニクス素子への応用可能性を示すこと。
• 電流駆動制御と電気的検出を組み合わせることで、反強磁性メモリの実現可能性を確立すること。

提案手法

• Pt/NiOヘテロ構造を通じたスピン極化電流の印加により、NiO内の反強磁性モーメントにスピンターブルを作用させること。
• プラチナ（Pt）におけるスピンホール効果を用いて、横方向のスピン電流を生成し、それらをNiO反強磁性体と結合させること。
• スピンホール磁気抵抗（SMR）を介して、Pt層の横方向抵抗測定を、反強磁性秩序の向きのプローブとして用いること。
• 電流の向きと大きさを調整することで反強磁性状態を制御し、明確に分離された反強磁性配置間のスイッチングを誘発すること。
• ジュール熱とデバイス劣化を最小限に抑えるために、低電流密度（約5 × 10⁷ A/cm²）を用いて、決定論的スイッチングを達成すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NiOにおける反強磁性モーメントは、電流によって生成されるスピンターブルを用いて制御可能か？
• RQ2 スピンホール磁気抵抗のような電気的手段により、NiOにおける反強磁性秩序の向きは検出可能か？
• RQ3 実用デバイスに適した低電流密度で、反強磁性秩序の決定論的スイッチングが達成可能か？
• RQ4 NiOにおけるスピンターブル効果は、反強磁性メモリ応用のための実現可能な道筋を提供できるか？

主な発見

• 反強磁性モーメントは、約5 × 10⁷ A/cm²の電流密度でスピンターブルにより効果的に再配列された。これは、反強磁性体制御にこれまで必要とされてきた電流密度よりも顕著に低い値である。
• Ptキャッピング層におけるスピンホール磁気抵抗を用いて、反強磁性秩序の向きが検出され、反強磁性状態のスイッチングが確認された。
• 観測された横方向抵抗の変化は再現可能かつ可逆的であり、反強磁性秩序の信頼性ある電気的検出を示している。
• 提示された制御と検出手法により、明確に分離された反強磁性配置間の決定論的スイッチングが可能となり、これはメモリ応用に不可欠な要件を満たしている。
• スピンターブルに基づく反強磁性体の操作の実現可能性が裏付けられ、反強磁性スピントロニクス素子への道が開かれた。