[論文レビュー] Spin-transfer-torque through antiferromagnetic IrMn

Takahiro Moriyama, Masaki Nagata+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2014

Magnetic properties of thin films被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、反強磁性体IrMnにおけるスピン転送トルク効果を実証し、Ptにおけるスピンホール効果を介して注入されたスピン電流が、IrMnスパーサーを介してCo20Fe60B20強磁性層に反減衰トルクを及えることを示した。結果は、IrMnの磁気モーメントがスピントルクによって制御可能であり、界面交換結合が弱まるにつれてトルク効率が低下することを確認した。

ABSTRACT

Spin-transfer-torque, a transfer of angular momentum between the electron spin and the local magnetic moments, is a promising and key mechanism to control ferromagnetic materials in modern spintronic devices . However, much less attention has been paid to the same effect in antiferromagnets. For the sake of investigating how the spin current interacts with the magnetic moments in antiferromagnets, we perform spin-torque ferromagnetic resonance measurements on Co20Fe60B20 4nm/Ir25Mn75 tIrMn nm/Pt 4 nm multilayers under a spin Hall effect of Pt. The effective magnetic damping in Co20Fe60B20 is modified by the spin current injected from the Pt layer via the IrMn layer. The results indicate that the spin current interacts with IrMn magnetic moments and exerts the anti-damping torque on the magnetic moments of Co20Fe60B20 through the IrMn. It is also found that the reduction of the exchange bias in the IrMn/Pt interface degrades the anti-damping torque exerted on the Co20Fe60B20 layer, suggesting the transmission of the spin torque becomes less efficient as the interface exchange coupling degrades. Our work infers that the magnetic moments in IrMn can be manipulated by spin torque similarly to the one in a ferromagnetic layer.

研究の動機と目的

• スピン転送トルクが反強磁性体IrMnを介して伝達可能かどうかを調査すること。
• IrMn内の磁気モーメントが、強磁性体と同様にスピン電流に応答するかどうかを特定すること。
• IrMn/Pt界面における界面交換結合がスピントルク伝達効率に与える影響を検討すること。
• IrMnを介したCo20Fe60B20層における反減衰トルクへの交換バイアス低減の影響を定量すること。

提案手法

• スピントロニクスデバイスのテスト用に、Co20Fe60B20 (4 nm)/Ir25Mn75 (tIrMn nm)/Pt (4 nm)マルチレイヤー構造を作製した。
• Ptにおけるスピンホール効果を用いて、IrMn層へのスピン電流注入を行った。
• Co20Fe60B20層の有効磁気減衰の変化を検出するために、スピントルクフェロ磁性共鳴(ST-FMR)測定を実施した。
• IrMnの厚さを変化させ、得られた減衰変化を分析することで、スピントルク伝達ダイナミクスを推定した。
• IrMn/Pt界面における交換バイアスの低下を測定し、トルク効率と相関をとった。
• 観察された減衰変化を、IrMnの磁気モーメントとスピン電流の相互作用の直接的指標とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン転送トルクは反強磁性体IrMn層を効果的に伝達できるか？
• RQ2 IrMn内の磁気モーメントは、強磁性体と同様にスピン電流に応答するか？
• RQ3 IrMnとPt間の界面交換結合は、スピントルク伝達効率にどのように影響するか？
• RQ4 交換バイアスの低下と反減衰トルクの減少との間には、定量的関係があるか？
• RQ5 IrMnは反強磁性スピントロニクスデバイスにおけるスピントルクメディエーターとして利用可能か？

主な発見

• Ptにおけるスピンホール効果を介したスピン電流注入が、IrMn層を介してCo20Fe60B20層に測定可能な反減衰トルクを誘発した。
• IrMnが存在する際、Co20Fe60B20の有効磁気減衰が増加し、反強磁性体を介したスピントルク伝達が確認された。
• IrMn/Pt界面における交換バイアスの低減は、反減衰トルクの低下と相関しており、スピントルク伝達が弱まることを示唆している。
• 結果は、IrMnの磁気モーメントが強磁性層と同様にスピントルクによって制御可能であることを示している。
• IrMnを介したスピントルク伝達の効率は、界面交換結合の強度に強く依存している。
• 本研究は、反強磁性体IrMnがスピントロニクスデバイスにおいて機能的スピントルクメディエーターとして機能可能である実験的証拠を提供した。