[논문 리뷰] Roadmap of spin-orbit torques

Qiming Shao, Peng Li외 17명|PubMed|2021. 04. 23.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 226인용 수 33

한 줄 요약

본 논문은 스핀-오빗 토크(SOT)의 이론, 재료 및 소자에 대해 개관하며, 메커니즘, 재료 플랫폼, 소자 구조 및 SOT-MRAM 및 신경모사 개념과 같은 주요 응용 분야를 요약합니다. 이 연구는 학계 및 산업계에서 향후 SOT 개발에 대한 포괄적인 가이드를 제공합니다.

ABSTRACT

Spin-orbit torque (SOT) is an emerging technology that enables the efficient manipulation of spintronic devices. The initial processes of interest in SOTs involved electric fields, spin-orbit coupling, conduction electron spins and magnetization. More recently interest has grown to include a variety of other processes that include phonons, magnons, or heat. Over the past decade, many materials have been explored to achieve a larger SOT efficiency. Recently, holistic design to maximize the performance of SOT devices has extended material research from a nonmagnetic layer to a magnetic layer. The rapid development of SOT has spurred a variety of SOT-based applications. In this Roadmap paper, we first review the theories of SOTs by introducing the various mechanisms thought to generate or control SOTs, such as the spin Hall effect, the Rashba-Edelstein effect, the orbital Hall effect, thermal gradients, magnons, and strain effects. Then, we discuss the materials that enable these effects, including metals, metallic alloys, topological insulators, two-dimensional materials, and complex oxides. We also discuss the important roles in SOT devices of different types of magnetic layers, such as magnetic insulators, antiferromagnets, and ferrimagnets. Afterward, we discuss device applications utilizing SOTs. We discuss and compare three-terminal and two-terminal SOT-magnetoresistive random-access memories (MRAMs); we mention various schemes to eliminate the need for an external field. We provide technological application considerations for SOT-MRAM and give perspectives on SOT-based neuromorphic devices and circuits. In addition to SOT-MRAM, we present SOT-based spintronic terahertz generators, nano-oscillators, and domain wall and skyrmion racetrack memories. This paper aims to achieve a comprehensive review of SOT theory, materials, and applications, guiding future SOT development in both the academic and industrial sectors.

연구 동기 및 목표

• SOT를 생성하거나 제어하는 이론적 기전의 요약(예: 스핀 홀, 라슈바-에델스타인, 궤도 홀 효과).
• SOT를 가능하게 하는 재료 플랫폼의 조사(금속, 합금, 토폴로지 홀등, 2D 재료, 복합 산화물).
• SOT 소자에서 자성 층의 특성의 역할을 논의하고 구조를 비교한다.
• SOT 기반 응용을 검토하며, 3단- 및 2단-터미널 SOT-MRAM, 필드-프리 설계, 그리고 차세대 소자(테라헤르츠 발생기, 나노발진자, 도메인 벽/스키르미온 래크트랙 등)를 포함한다.
• 학계 및 산업계에서의 향후 SOT 연구에 대한 관점과 고려사항을 제시한다.

제안 방법

• 주요 SOT 생성 기전을 설명하고 분류한다(스핀 홀, 라슈바-에델스타인, 궤도 홀, 열, 자화, 변형/스트레인).
• SOT 효과와의 적합성을 기준으로 재료 후보를 체계적으로 검토한다.
• 필드-프리 동작을 가능하게 하는 메커니즘과 함께 3단-터미널 대 2단-터미널 SOT-MRAM 아키텍처를 비교한다.
• SOT-MRAM의 기술적 고려사항과 잠재적 신경모사 구현에 대해 논의한다.
• 미래의 이론적, 실험적, 응용 중심 작업을 안내하기 위한 로드맵 스타일의 종합을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오빗 토크를 생성하거나 제어하는 주된 기전은 무엇인가?
• RQ2 실용 소자에서 강한 SOT를 실현하는 최적의 재료 및 이종구조는 무엇인가?
• RQ3 자화층의 특성이 SOT 소자 성능과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SOT 구동 메모리 소자에서 필드-프리 동작을 가능하게 하는 아키텍처 및 설계는 무엇인가?
• RQ5 테라헤르츠 발생기, 나노발진자, 래크 메모리 등 SOT 기반 차세대 기술의 전망과 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 스핀 홀, 라슈바-에델스타인, 궤도 홀 및 열/자성/스트레인 효과를 포함한 SOT 기전의 통합적 개요.
• SOT를 지원할 수 있는 금속, 합금, 토폴로지 절연체, 2D 재료 및 복합 산화물을 아우르는 재료 플랫폼의 정리.
• 메모리 및 신경모사 전망을 강조하며 SOT 응용에서 자화층의 역할과 소자 아키텍처에 대한 논의.
• 외부 필드 요구 제거를 위한 접근법과 함께 SOT-MRAM 구성(3단 터미널 및 2단 터미널)의 평가.
• 스핀트로닉스 테라헤르츠 소스, 나노발진자, 도메인 벽/스키르미온 래크트랙 메모리와 같은 SOT-활성화 기술의 전망.