[논문 리뷰] Efficient field-free perpendicular magnetization switching by a magnetic spin Hall effect

Shuai Hu, Ding‐Fu Shao외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 16.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Mn3Sn과 같은 비정렬 반자성체에서의 자기 스핀 홀 효과를 이용해 니켈/ cobalt 다층막에서 수직 자화를 효율적이고 자기장이 없는 조건에서 스위칭할 수 있음을 보여준다. 평면 내 전류가 Mn3Sn의 자기군 대칭성에 의해 발생하는 수직 방향 스핀 흐름과 스핀 정렬을 유도하며, 이는 결정적인 반드시 감쇠를 일으키는 토크를 생성하여 저전류, 자기장이 없는 스위칭을 가능하게 하며, 기존의 스핀 오비탈 토크 장치에 비해 효율성과 신뢰성 면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Current induced spin-orbit torques driven by the conventional spin Hall effect are widely used to manipulate the magnetization. This approach, however, is nondeterministic and inefficient for the switching of magnets with perpendicular magnetic anisotropy that are demanded by the high-density magnetic storage and memory devices. Here, we demonstrate that this limitation can be overcome by exploiting a magnetic spin Hall effect in noncollinear antiferromagnets, such as Mn3Sn. The magnetic group symmetry of Mn3Sn allows generation of the out-of-plane spin current carrying spin polarization induced by an in-plane charge current. This spin current drives an out-of-plane anti-damping torque providing deterministic switching of perpendicular magnetization of an adjacent Ni/Co multilayer. Compared to the conventional spin-orbit torque devices, the observed switching does not need any external magnetic field and requires much lower current density. Our results demonstrate great prospects of exploiting the magnetic spin Hall effect in noncollinear antiferromagnets for low-power spintronics.

연구 동기 및 목표

• 고자기 이방성이 큰 수직 자화를 스위칭할 때 기존의 스핀 오비탈 토크 장치의 비효율성과 비결정성 문제를 해결하기 위해.
• Mn3Sn과 같은 비정렬 반자성체가 수직 스핀 정렬을 가진 스핀 흐름을 생성할 잠재력을 탐색하기 위해.
• 최소한의 전류 밀도로 결정적인 자기장 없는 수직 자화 스위칭을 달성하기 위해.
• 기존의 스핀 전달 토크 및 스핀 오비탈 토크 메모리 장치에 대한 확장 가능하고 저전력 대안을 제시하기 위해.

제안 방법

• 비정렬 반자성체인 Mn3Sn에서의 자기 스핀 홀 효과 활용, 이는 대칭성이 깨진 반자성체이다.
• 평면 내 전류를 적용하여 자기군 대칭성에 의해 유도된 수직 스핀 흐름과 스핀 정렬을 가진 횡방향 스핀 흐름을 생성한다.
• 생성된 스핀 흐름을 통해 스핀 전달 토크를 가능하게 하기 위해 Mn3Sn 층을 Ni/Co 다층막과 통합한다.
• 시간에 따라 변화하는 케러 미러를 사용하여 자화 스위칭 동역학을 측정함으로써 자기장 없는 결정적인 스위칭 행동을 확인한다.
• 전류 밀도 의존성 측정과 기존의 스핀 오비탈 토크 장치와의 비교를 통해 스위칭 효율성을 정량화한다.
• 대칭성 분석 및 최초 원리 계산을 통해 Mn3Sn에서 자기 스핀 홀 효과의 기원을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정렬 반자성체인 Mn3Sn에서의 자기 스핀 홀 효과가 수직 자화의 효율적이고 자기장 없는 스위칭을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 자기군 대칭성이 평면 내 전류에서 수직 스핀 흐름을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 전류 밀도와 신뢰성 측면에서 자기 스핀 홀 효과의 스위칭 효율성이 기존의 스핀 오비탈 토크에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 메커니즘을 통해 외부 자기장 없이 결정적인 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이 방법을 사용할 때 신뢰성 있는 스위칭을 위해 필요한 전류 밀도의 기본 한계는 무엇인가?

주요 결과

• Mn3Sn에서 자기 스핀 홀 효과는 평면 내 전류 조건에서 강력한 수직 스핀 흐름과 스핀 정렬을 생성하여 효과적인 스핀 토크를 가능하게 한다.
• 유도된 반드시 감쇠 토크는 인접한 Ni/Co 다층막의 수직 자화 스위칭을 결정적으로 자기장 없이 가능하게 한다.
• 기존의 스핀 오비탈 토크 장치에 비해 훨씬 낮은 전류 밀도에서 스위칭이 이루어지며, 이는 뛰어난 에너지 효율성을 보여준다.
• 기존의 스핀 오비탈 토크 시스템에서는 스위칭이 비결정적이지만, Mn3Sn의 대칭성에 의해 보호되는 스핀 흐름 덕분에 결정적인 스위칭이 가능해진다.
• 이론적 분석은 Mn3Sn의 자기군 대칭성이 수직 스핀 흐름 생성에 필수적임을 확인한다.
• 결과적으로 저전력, 고밀도 스핀트로닉스 메모리 및 논리 장치를 위한 실현 가능한 길을 제시한다.