[논문 리뷰] Deterministic Domain Wall Motion Orthogonal To Current Flow Due To Spin Orbit Torque

Debanjan Bhowmik, Mark Nowakowski외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 23.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스핀-오빗 토크(SOT)를 이용해 Ta/CoFeB/MgO 다층구조에서 전류 흐름 방향과 수직인 방향으로 결정자벽 이동을 결정적으로 유도한 바, 기존의 스핀-전달 토크와는 다른 메커니즘을 적용하였다. 관측된 수직 이동은 단순한 스핀-전달 토크로는 달성할 수 없으며, 중금속(Ta)에서의 스핀-오빗 결합에 의해 가능해졌고, 전류 또는 평면내 자기장 방향을 뒤집었을 때도 결정자벽 이동이 반전됨을 통해 확인되었으며, Ta의 SOT 효율은 0.08로 측정되었다.

ABSTRACT

Deterministic control of domain walls orthogonal to the direction of current flow is demonstrated by exploiting spin orbit torque in a perpendicularly polarized Ta/CoFeB/MgO multilayer in presence of an in-plane magnetic field. Notably, such orthogonal motion with respect to current flow is not possible from traditional spin transfer torque driven domain wall propagation even in presence of an external magnetic field. Reversing the polarity of either the current flow or the in-plane field is found to reverse the direction of the domain wall motion. From these measurements, which are unaffected by any conventional spin transfer torque by symmetry, we estimate the spin orbit torque efficiency of Ta to be 0.08.

연구 동기 및 목표

• 기존의 스핀-전달 토크로는 불가능한 전류 흐름 방향과 수직인 방향으로 결정자벽 이동을 결정적으로 달성하고자 한다.
• 중금속인 Ta와 같은 물질에서의 스핀-오빗 토크가 수직 자기이성향성을 가진 시스템에서 이러한 수직 이동을 가능하게 함을 보여주고자 한다.
• 적용된 평면내 자기장 조건 하에서 Ta 기반 이종구조에서의 스핀-오빗 토크 효율을 정량화하고자 한다.
• 대칭성 분석을 통해 기존의 스핀-전달 토크 기여를 제거하고 SOT에 의한 동역학을 고립 및 확인하고자 한다.

제안 방법

• 수직 자기이성향성을 가지는 Ta/CoFeB/MgO 다층구조를 사용하여 결정자벽을 형성한다.
• 평면내 전류와 평면내 자기장을 적용하여 결정자벽 이동을 유도하고 제어한다.
• 실시간에서의 결정자벽 동역학을 영상화하기 위해 시간해상 분辨 자기광학 케러 효과(TR-MOKE)를 활용한다.
• 전류 극성과 평면내 자기장 방향을 체계적으로 뒤집어 이동의 대칭성과 방향성을 탐구한다.
• 대칭성 분석을 통해 SOT에 의한 이동과 스핀-전달 토크 효과를 구별한다.
• 측정된 결정자벽 속도와 전류 밀도로부터 스핀-오빗 토크 효율을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오빗 토크를 이용해 전류 흐름 방향과 수직인 방향으로 결정자벽 이동을 유도할 수 있는가?
• RQ2 전류 또는 자기장 극성 뒤집기 조건에서 관측된 결정자벽 이동은 결정적이고 가역적인가?
• RQ3 CoFeB/MgO 기반 이종구조에서 탄탈럼(Ta)의 스핀-오빗 토크 효율은 얼마인가?
• RQ4 이 시스템에서 스핀-오빗 토크가 기존의 스핀-전달 토크 기여 없이 독립적으로 결정자벽 이동을 유도할 수 있는가?
• RQ5 평면내 자기장 존재가 SOT에 의한 결정자벽 이동의 방향성과 제어에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 결정자벽 이동이 전류 흐름 방향과 수직인 것으로 관측되어 새로운 SOT 기반 메커니즘이 확인되었다.
• 전류 극성 또는 평면내 자기장 방향을 뒤집었을 때 결정자벽 이동 방향이 반전됨을 통해 결정적 제어가 가능함을 확인하였다.
• Ta의 스핀-오빗 토크 효율은 0.08로 정량화되었으며, 이는 이종구조 내에서 강한 SOT 효과를 나타낸다.
• 대칭성에 기반하여 기존의 스핀-전달 토크 기여가 제거되었고, 이는 SOT의 지배적 기여를 확인한다.
• 다양한 전류 및 자기장 조건 하에서도 안정적이고 재현 가능한 결정자벽 이동이 관측되어 실용적 가능성을 입증하였다.
• 결과적으로 이는 수직적이고 전류 제어가 가능한 결정자벽 이동을 위한 새로운 길을 여는 바이다.