[論文レビュー] Spin Transfer Torque as a Non-Conservative Pseudo-Field

Sayeef Salahuddin, Deepanjan Datta+1 more|ArXiv.org|Nov 21, 2008

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、スピン転送トルク（STT）をランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式における保存則に従わない擬似磁場として取り扱う、独創的な理論的枠組みを提示する。これは実際の磁場とは異なり、非平衡状態でのみ生じる垂直成分が保存則に背く性質を持ち、減衰に対してスロンツェフスキー型のスイッチングを駆動する。一方、平衡状態に存在する平面内成分は、場の項に対応し、磁性トンネル接合における非対称なスイッチング行動を説明する。特に、反平行状態から平行状態へのスイッチングに必要な電流が、逆方向に比べて小さい。

ABSTRACT

In this paper we show that the spin transfer torque can be described by a pseudo magnetic field, proportional to the magnetic moment of the itinerant electrons that enters the Landau-Lifshitz-Gilbert equation in the same way as other external or internal magnetic fields. However, unlike an ordinary magnetic field, which is always conservative in nature, the spin torque induced pseudo field may have both conservative and non-conservative components. We further show that the magnetic moment of itinerant electrons develops an out-of-plane component only at non-equilibrium and this component is responsible for the Slonczewski type switching that acts against the damping and is always non-conservative. On the other hand, the in-plane components of the pseudo field exist both at equilibrium and out-of-equilibrium, and are responsible for the field like term. For tunnel based devices, this term results in lower switching current for anti-parallel (AP) to parallel (P) switching compared to P to AP, even when the torque magnitudes are completely symmetric with voltage.

研究の動機と目的

• スピン転送トルクを擬似磁場形式で統一的に理論的に記述すること。
• スピントルク成分の保存的・非保存的性質を明確にすること。
• トンネル型スピントロニクスデバイスにおける非対称スイッチング電流の起源を説明すること。
• 擬似磁場への平衡状態と非平衡状態の寄与を区別すること。
• 垂直成分の非保存的性質がスロンツェフスキー型スイッチングの物理的メカニズムに果たす役割を結びつけること。

提案手法

• ランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式におけるスピン転送トルクを、実際の磁場と同様に擬似磁場としてモデル化する。
• 移動電子の磁気モーメントを分析し、擬似磁場の平面内および垂直成分を特定する。
• 非平衡統計力学を用いて、垂直成分が非平衡状態にのみ現れることを示す。
• 平面内成分から場の項を導出し、この成分が平衡状態および非平衡状態の両方で存在することを示す。
• 磁性トンネル接合にこの形式を適用し、スイッチング電流の非対称性を予測する。
• 垂直成分の非保存的性質が、減衰を克服するスイッチングに不可欠であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式において、スピン転送トルクをどのように擬似磁場として形式的に記述できるか？
• RQ2 なぜスピントルクの垂直成分は本質的に非保存的であるのに対し、平面内成分はそうではないのか？
• RQ3 トンネル型デバイスにおける反平行状態から平行状態、およびその逆へのスイッチング電流に非対称性が生じる原因は何か？
• RQ4 平衡状態と非平衡状態が、擬似磁場成分にどのように影響を与えるか？
• RQ5 非保存的成分が、減衰に対して抵抗するスイッチングを可能にする役割は何か？

主な発見

• スピン転送トルクは、実際の磁場と同様にランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式に組み込まれる擬似磁場として表現可能である。
• 擬似磁場の垂直成分は非保存的であり、非平衡状態にのみ現れ、スロンツェフスキー型スイッチングを可能にする。
• 擬似磁場の平面内成分は保存的であり、平衡状態および非平衡状態の両方で存在し、場の項に寄与する。
• トンネル型デバイスにおいて、非保存的垂直トルクが反平行状態から平行状態へのスイッチングに必要な電流を、逆方向に比べて低減させる。
• スイッチング電流の非対称性は、トルクの大きさが電圧に対して対称であっても、垂直成分の非保存的性質に起因する。
• 擬似磁場形式は、スピントロニクスデバイスにおける場の項と減衰項の両方を統一的に理解するフレームワークを提供する。