[논문 리뷰] Magnetization switching in polycrystalline Mn3Sn thin film induced by self-generated spin-polarized current

Hang Xie, Xin Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 14.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 외부 스핀 전류 주입이 필요 없이 자기화가 자발적으로 생성된 스핀 편극 전류를 통해 다결정 Mn3Sn 박막에서 전기적으로 유도된 자화 스위칭을 입증한다. 두께가 두꺼운 MgO 장벽(>3 nm)이 존재하는 경우에도 스위칭이 유지되며, 고두께 MgO에서의 극성 반전은 전통적인 스핀 오비트 토크보다는 입자 간 스핀 전달 토크가 지배적임을 시사하며, 이는 이중층 구조가 없는 새로운 반자성 스핀트로닉스의 길을 열어준다.

ABSTRACT

Electrical manipulation of spins is essential to design state-of-the-art spintronic devices and commonly relies on the spin current injected from a second heavy-metal material. The fact that chiral antiferromagnets produce spin current inspires us to explore the magnetization switching of chiral spins using self-generated spin torque. Here, we demonstrate the electric switching of noncollinear antiferromagnetic state in Mn3Sn by observing a crossover from conventional spin-orbit torque to the self-generated spin torque when increasing the MgO thickness in Ta/MgO/Mn3Sn polycrystalline films. The spin current injection from the Ta layer can be controlled and even blocked by varying the MgO thickness, but the switching sustains even at a large MgO thickness. Furthermore, the switching polarity reverses when the MgO thickness exceeds around 3 nm, which cannot be explained by the spin-orbit torque scenario due to spin current injection from the Ta layer. Evident current-induced switching is also observed in MgO/Mn3Sn and Ti/Mn3Sn bilayers, where external injection of spin Hall current to Mn3Sn is negligible. The inter-grain spin-transfer torque induced by spin-polarized current explains the experimental observations. Our findings provide an alternative pathway for electrical manipulation of non-collinear antiferromagnetic state without resorting to the conventional bilayer structure.

연구 동기 및 목표

• 외부 스핀 전류 주입에 의존하지 않고 Mn3Sn의 비정렬 반자성 상태를 전기적으로 제어할 수 있는지 탐색하기.
• 다결정 Mn3Sn 박막에서 자기화 스위칭에 관여하는 자발적 스핀 편극 전류의 역할을 조사하기.
• 기존의 스핀 오비트 토크가 억제될 경우 입자 간 스핀 전달 토크가 스위칭을 유도할 수 있는지 확인하기.
• 고두께 MgO에서 관측된 극성 반전 현상의 메커니즘을 규명하기.

제안 방법

• 스핀 전류 전달를 조절하기 위해 체계적으로 변화된 MgO 두께를 가진 Ta/MgO/Mn3Sn 삼중층 구조를 제작한다.
• Ta층에서 발생하는 스핀 홀 효과를 이용해 스핀 전류를 생성하고, MgO 두께를 통해 Mn3Sn로의 주입을 제어한다.
• 전류 및 MgO 두께를 변화시키며 허브 기하학을 이용해 자기화 스위칭을 측정한다.
• MgO 두께가 3 nm를 초과할 경우 스위칭 극성 반전을 관측하였으며, 이는 표준 스핀 오비트 토크 모델과 일치하지 않는다.
• 외부 스핀 주입이 미미한 MgO/Mn3Sn 및 Ti/Mn3Sn 이중층에서의 스위칭 행동을 비교한다.
• 고 MgO 두께에서의 지속적인 스위칭을 설명하는 데 있어 입자 간 스핀 전달 토크가 주요 메커니즘으로 제안된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기화 스위칭이 외부 스핀 전류 주입 없이 자발적 스핀 편극 전류를 통해 Mn3Sn에서 실현될 수 있는가?
• RQ2 MgO 두께가 약 3 nm를 초과할 경우, 스핀 오비트 토크 이론에 따르면 예상과는 달리 스위칭 극성이 반전되는 이유는 무엇인가?
• RQ3 두꺼운 MgO 층으로 인해 스핀 전류 주입이 차단될 경우, 입자 간 스핀 전달 토크가 충분히 스위칭을 유도할 수 있는가?
• RQ4 외부 스핀 주입이 미미한 이중층(예: MgO/Mn3Sn, Ti/Mn3Sn)에서 스위칭 행동은 어떻게 다를까?
• RQ5 기존의 스핀 오비트 토크가 사라져야 할 고 MgO 두께에서 지속적인 스위칭이 관측되는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• Mn3Sn의 다결정 박막에서 자기화 스위칭은 스핀 전류 주입이 거의 차단되는 5 nm의 MgO 두께까지도 유지된다.
• MgO 두께가 약 3 nm를 초과할 경우 스위칭 극성이 반전되며, 이는 전통적인 스핀 오비트 토크 메커니즘과 일치하지 않는다.
• 외부 스핀 주입이 미미한 MgO/Mn3Sn 및 Ti/Mn3Sn 이중층에서 뚜렷한 전류 유도 스위칭이 관측되며, 이는 내재된 스위칭 메커니즘을 시사한다.
• 관측된 스위칭은 스핀 홀 전류 주입이 아닌 자발적 스핀 편극 전류에서 기인한 입자 간 스핀 전달 토크 때문임이 밝혀졌다.
• 결과적으로, 기존의 이중층 스핀트로닉스 구조가 필요 없이 비정렬 반자성 상태의 전기적 제어를 위한 실현 가능한 대안 경로가 제시된다.
• 이러한 발견은 Mn3Sn 내의 입자 경계 효과와 내재된 스핀 편극성이 스핀트로닉스 응용 분야에서 강력하고 조절 가능한 스위칭을 가능하게 한다는 것을 시사한다.