[논문 리뷰] Cluster magnetic octupole induced out-of-plane spin polarization in antiperovskite antiferromagnet

Yunfeng You, Hua Bai외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 31.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 53인용 수 89

한 줄 요약

이 논문은 비편향 반퍼스킷 반자성체 Mn3SnN에서 평면 외 스핀 분극화(𝛔z)가 클러스터 자석 옥튜폴의 영향을 받아 발생하는 스핀 프리세션에 기인하며, 전류가 옥튜폴 모멘트와 평행할 때만 𝛔z가 나타남을 보여준다. 저자들은 이 𝛔z를 이용해 외부 자기장이 없는 조건에서 결정적인 전류 유도 스핀 오르빗 토크(SOT) 스위칭을 실현하여, 외부 자기장이 필요 없는 초고속·저전력 스핀트로닉스 장치의 새로운 길을 열었다.

ABSTRACT

Out-of-plane spin polarization {\sigma}_z has attracted increasing interests of researchers recently, due to its potential in high-density and low-power spintronic devices. Noncollinear antiferromagnet (AFM), which has unique 120{\deg} triangular spin configuration, has been discovered to possess {\sigma}_z. However, the physical origin of {\sigma}_z in noncollinear AFM is still not clear, and the external magnetic field-free switching of perpendicular magnetic layer using the corresponding {\sigma}_z has not been reported yet. Here, we use the cluster magnetic octupole in antiperovskite AFM Mn3SnN to demonstrate the generation of {\sigma}_z. {\sigma}_z is induced by the precession of carrier spins when currents flow through the cluster magnetic octupole, which also relies on the direction of the cluster magnetic octupole in conjunction with the applied current. With the aid of {\sigma}_z, current induced spin-orbit torque (SOT) switching of adjacent perpendicular ferromagnet is realized without external magnetic field. Our findings present a new perspective to the generation of out-of-plane spin polarizations via noncollinear AFM spin structure, and provide a potential path to realize ultrafast high-density applications.

연구 동기 및 목표

• 비편향 반자성체에서 평면 외 스핀 분극화(𝛔z)의 물리적 기원을 규명하는 것.
• 클러스터 자석 옥튜폴 존재 하에서 Mn3SnN에서 스핀 프리세션을 통해 𝛔z가 생성될 수 있음을 보여주는 것.
• 반자성체에서 유도된 𝛔z를 이용해 수직 자기화를 가진 반자성체 층의 외부 자기장 없이 스위칭을 실현하는 것.
• 비편향 AFM 시스템에서 자성 대칭 붕괴에 기반한 새로운 𝛔z 생성 메커니즘을 확립하는 것.

제안 방법

• 400 °C에서 마그네톤 스퍼터링을 통해 MgO 기판 위에 (110)-방향으로 정렬된 Mn3SnN 얇은 필름을 성장시켰다.
• 2–17 GHz의 마이크로파 전류 주입을 이용한 스핀전달 공명(스핀-트랜스퍼 FMR, ST-FMR)을 통해 스핀 오르빗 토크(SOT) 측정을 수행하였다.
• ST-FMR 반응의 선형형태 피팅을 통해 평면 내 및 평면 외 토크 성분의 각도 의존성을 추출하여, 𝛔z와 스핀 홀 효과의 기여를 분리하였다.
• 이론적 분석을 통해 𝛔z가 스핀 오르빗장(𝐇𝐬𝐨)과 클러스터 자석 옥튜폴 모멘트(𝐓)의 외적 곱에 비례함을 확인하였으며, 즉 𝛔z ∝ 𝐇𝐬𝐨 × 𝐓이다.
• 장치 제작은 Mn3SnN/Py 및 Mn3SnN/(Co/Pd)3 이종 구조를 마이크로스트립 및 크로스바 장치로 패턴화하여 SOT 스위칭 실험을 수행하였다.
• 자기 대칭 분석을 통해 전류가 옥튜폴 모멘트에 수직일 경우 자성 거울 대칭이 유지되어 𝛔z가 사라짐을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비편향 반자성체인 Mn3SnN와 같은 시스템에서 평면 외 스핀 분극화(𝛔z)의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ2 클러스터 자석 옥튜폴 모멘트의 방향이 전류에 비해 어떻게 되어 있을 때 𝛔z가 생성되는가?
• RQ3 Mn3SnN에서의 𝛔z는 수직 자기화를 가진 반자성체 층의 외부 자기장 없이 스위칭을 가능하게 하는가?
• RQ4 비편향 스핀 구조의 자성 대칭은 𝛔z의 생성 또는 억제에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 전류가 클러스터 자석 옥튜폴 모멘트와 평행일 때만 Mn3SnN에서 평면 외 스핀 분극화(𝛔z)가 발생하며, 전류가 옥튜폴 모멘트에 수직일 경우 대칭 보호에 의해 𝛔z가 사라진다.
• 𝛔z는 스핀 오르빗장의 영향을 받는 실체의 스핀 프리세션에 의해 유도되며, 분극화는 스핀 오르빗장과 옥튜폴 모멘트의 외적 곱에 비례한다(𝛔z ∝ 𝐇𝐬𝐨 × 𝐓).
• Mn3SnN/(Co/Pd)3 이종 구조에서 반자성체에서 유도된 𝛔z만을 이용해 수직 자기화를 가진 Co/Pd 다층막의 외부 자기장 없이 결정적인 스위칭을 실현하였다.
• 장성 토크(𝜃FL,𝑧) 및 반감속 토크(𝜃AD,𝑧)의 스핀 토크 비율을 정량화하여, 𝛔z가 둘 다에 기여함을 확인하였다.
• Mn3SnN의 네일 온도(475 K)는 실온에서도 강력한 𝛔z 생성을 보장하여 실용적 장치 응용에 적합하다.
• 이 메커니즘은 120° 삼각형 스핀 구조와 클러스터 자석 옥튜폴 순서를 가지는 다른 비편향 반자성체에도 일반화 가능하다.