[논문 리뷰] Intrinsic spin Hall torque in a moire Chern magnet

Charles Tschirhart, Evgeny Redekop외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 05.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전류에 의해 유도되는 역행성 도메인 전환을 통해 내재된 스핀 궤도 결합을 통한 스핀 홀 토크에 의해 유도되는 모리에 카이너스 자성체에서의 자기 전환을 입증한다. AB-적층된 MoTe2/WSe2에서, 전류는 내재된 스핀 궤도 결합을 통해 가역적인 도메인 전환을 일으킨다. 도메인 전환은 전류 밀도 $10^3\,\text{A} \cdot \text{cm}^{-2}$ 수준에서 발생하며, 나노스케일 영상 분석을 통해 도메인 반전이 고-베리 곡률 영역과 정확히 일치함을 확인하여, 2차원 반데발스 이종구조에서 위상적 밴드 구조와 효율적인 스핀 토크 사이의 직접적인 연관성을 확립한다.

ABSTRACT

In spin torque magnetic memories, electrically actuated spin currents are used to switch a magnetic bit. Typically, these require a multilayer geometry including both a free ferromagnetic layer and a second layer providing spin injection. For example, spin may be injected by a nonmagnetic layer exhibiting a large spin Hall effect, a phenomenon known as spin-orbit torque. Here, we demonstrate a spin-orbit torque magnetic bit in a single two-dimensional system with intrinsic magnetism and strong Berry curvature. We study AB-stacked MoTe2/WSe2, which hosts a magnetic Chern insulator at a carrier density of one hole per moire superlattice site. We observe hysteretic switching of the resistivity as a function of applied current. Magnetic imaging using a superconducting quantum interference device reveals that current switches correspond to reversals of individual magnetic domains. The real space pattern of domain reversals aligns precisely with spin accumulation measured near the high-Berry curvature Hubbard band edges. This suggests that intrinsic spin- or valley-Hall torques drive the observed current-driven magnetic switching in both MoTe2/WSe2 and other moire materials. The switching current density of 10^3 Amps per square centimeter is significantly less than reported in other platforms paving the way for efficient control of magnetic order.

연구 동기 및 목표

• 외부 스핀 주입층이 없는 단일 2차원 모리에 이종구조에서 전류 유도 자기 전환을 입증하기 위해.
• 내재된 자성과 강한 베리 곡률을 가지는 카이너스 절연체에서 스핀 궤도 토크의 미시적 기원을 규명하기 위해.
• 카이너스 절연체 상태에서 고-베리 곡률 밴드 에지 근처의 스핀 축적과 전류 유도 도메인 반전 사이의 직접적 상관관계를 확립하기 위해.
• 2차원 반데발스 이종구조를 이용하여 스핀트로닉스 메모리 응용에 적합한 효율적이고 저전력 자기 전환을 실현하기 위해.
• 내재된 스핀 홀 효과가 자기 반전을 어떻게 유도하는지 나노스케일 자기 영상 및 전송 측정을 통해 검증하기 위해.

제안 방법

• 60° 회전을 가진 AB-적층된 MoTe2 이중층/와이Se2 단일층 이종구조를 제작하여, $\lambda \approx 4.6\,\text{nm}$ 의 모리에 수반격자로 형성된 이종구조를 확립하였다.
• 상부 및 하부 게이트를 적용하여 실리콘 기판의 양공정 밀도를 조절하고, $\nu = -1$ 홀 충전 상태에서 자기 카이너스 절연체 상태를 유도하였다.
• 1.6\,\text{K}에서 이중단 전송 측정을 수행하여, 직류 전류 조건에서 히스테리시스 저항 전환 현상을 관찰하였다.
• 하부 게이트 조절을 통한 나노SQUID 기반 자기 영상 기법을 사용하여, 100 nm 이하의 해상도로 국소 자기화를 매핑하였다.
• 전류 변조 및 기울기 자기 측정 기법을 활용하여 교류 자기장 반응을 감지하고, $\delta B$ 신호로부터 $m_z$를 재구성하였다.
• 푸리에 변환 기법을 적용하여, 순수하게 외향 자기모멘트를 가정하고 $B_z$ 데이터로부터 자기화 지도를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 스핀 주입층 없이 내재된 스핀 홀 토크가 2차원 모리에 카이너스 자성체에서 자기 전환을 유도할 수 있는가?
• RQ2 전류에 의해 유도된 도메인 반전의 공간적 패턴이 전자 밴드 구조에서 고-베리 곡률 영역과 관련이 있는가?
• RQ3 이 내재된 2차원 시스템에서 재현 가능한 자기 전환을 유도하기 위해 필요한 최소 전류 밀도는 얼마인가?
• RQ4 카이너스 절연체 상태에서 허버드 밴드 에지 근처의 스핀 축적과 국소 자기 반응 사이의 상관관계는 어떠한가?
• RQ5 나노스케일 자기 영상 기법을 통해 도메인 반전 동역학을 해상도를 확보하고, 스핀 궤도 결합이 전류 유도 전환에 기여하는 역할을 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 모리에 카이너스 절연체 상태에서 $\nu = -1$ 에서 직류 전류 조건에서 히스테리시스 저항 전환이 관찰되어 전류 유도 자기 전환이 발생함을 확인하였다.
• 나노SQUID 기반 자기 영상 분석을 통해 전류에 의해 유도된 도메인 반전이 허버드 밴드 에지 근처의 고-베리 곡률 영역과 정확히 일치함을 확인하였다.
• 전환 전류 밀도는 $10^3\,\text{A} \cdot \text{cm}^{-2}$ 로 측정되었으며, 기존의 스핀 궤도 토크 시스템보다 현저히 낮았다.
• 이상적 홀 저항이 $h/e^2$ 에 정량화되어, $\nu = -1$ 에서 양자 이상적 홀 효과가 존재함을 확인하였다.
• 자기 도메인 반전은 재현 가능했고, 스핀 축적과 공간적으로 상관관계가 있었으며, 내재된 스핀 홀 토크의 기여를 지지하는 결과였다.
• 하부 게이트 조절 및 기울기 자기 측정 기법을 활용하여, 100 nm 이하의 공간 해상도로 자기화 동역학의 고해상도 매핑을 실현하였다.