[논문 리뷰] Spin torque control of antiferromagnetic moments in NiO

Takahiro Moriyama, Kent Oda외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 25.

Ichthyology and Marine Biology인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 니켈 산화물(NiO)에서 전류에 의해 유도된 스핀 토크를 이용해 반자성 모멘트를 제어함으로써, 약 ~5 × 10⁷ A/cm²의 낮은 전류 밀도로 조작을 달성함을 보여준다. 반자성 질서의 정렬은 스핀 홀 자화저항성으로 탐지되며, 이는 스핀 토크 기반 반자성 메모리로의 길을 열고 반자성 스피인트로닉스 분야의 발전을 이룬다.

ABSTRACT

For a long time, there have been no efficient ways of controlling antiferromagnets. Quite a strong magnetic field was required to manipulate the magnetic moments because of a high molecular field and a small magnetic susceptibility. It was also difficult to detect the orientation of the magnetic moments since the net magnetic moment is effectively zero. For these reasons, research on antiferromagnets has not been progressed as drastically as that on ferromagnets which are the main materials in modern spintronic devices. Here we show that the magnetic moments in NiO, a typical natural antiferromagnet, can indeed be controlled by the spin torque with a relatively small electric current density (~5 x 10^7 A/cm^2) and their orientation is detected by the transverse resistance resulting from the spin Hall magnetoresistance . The demonstrated techniques of controlling and detecting antiferromagnets would outstandingly promote the methodologies in the recently emerged "antiferromagnetic spintronics". Furthermore, our results essentially lead to a spin torque antiferromagnetic memory.

연구 동기 및 목표

• 높은 분자장과 거의 0에 가까운 순 자화모멘트로 인해 조작이 어려운 반자성 모멘트를 효율적으로 제어하는 데에 도전하는 것.
• 기존의 자화측정법이 효과적이지 않은 NiO와 같은 물질에서 반자성 질서의 정렬을 전기적 수단으로 탐지하는 방법을 개발하는 것.
• 전류에 의해 유도된 스핀 토크가 반자성 모멘트의 재정렬을 유도할 수 있음을 입증하여 스핀트로닉스 장치에 응용 가능한 잠재력을 확보하는 것.
• 전류 구동 제어와 전기적 탐지 기반의 반자성 메모리 실현 가능성을 확립하는 것.

제안 방법

• Pt/NiO 이중막 구조를 통해 스핀 편극 전류를 인가하여 NiO 내 반자성 모멘트에 스핀 토크를 작용시키는 것.
• Pt에서의 스핀 홀 효과를 이용해 수직 방향의 스핀 전류를 생성하고, 이 전류가 NiO 반자성체와 결합하는 것.
• 스핀 홀 자화저항성(SMR)을 통해 Pt 캡핑층의 수평 방향 저항 측정을 통해 반자성 질서 정렬을 탐지하는 것.
• 전류의 방향과 크기를 조절하여 반자성 상태를 제어하고, 서로 다른 반자성 구조 간의 스위칭을 유도하는 것.
• 저전류 밀도(~5 × 10⁷ A/cm²)를 사용해 결정적인 스위칭을 달성함으로써, 저열 손실과 장치 열화를 최소화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NiO의 반자성 모멘트는 전류에 의해 유도된 스핀 토크를 통해 제어될 수 있는가?
• RQ2 NiO의 반자성 질서 정렬은 스핀 홀 자화저항성과 같은 전기적 수단으로 탐지 가능한가?
• RQ3 실용적 장치에 적합한 낮은 전류 밀도로 반자성 질서의 결정적 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ4 NiO에서의 스핀 토크 효과는 반자성 메모리 응용을 위한 실현 가능한 길을 열 수 있는가?

주요 결과

• 약 ~5 × 10⁷ A/cm²의 전류 밀도로 NiO의 반자성 모멘트가 성공적으로 재정렬되었으며, 이는 이전에 반자성체 제어에 요구되었던 것보다 훨씬 낮은 수준이다.
• Pt 캡핑층에서의 스핀 홀 자화저항성 측정을 통해 반자성 질서 정렬이 탐지되었으며, 반자성 상태의 스위칭을 확인하였다.
• 관측된 수평 방향 저항 변화는 재현 가능하고 가역적이었으며, 반자성 질서의 신뢰할 수 있는 전기적 탐지가 가능함을 시사한다.
• 제시된 제어 및 탐지 방법은 서로 다른 반자성 구조 간의 결정적 스위칭을 가능하게 하여, 메모리 응용에 필수적인 조건을 충족시킨다.
• 실험 결과는 반자성체에서 스핀 토크 기반 조작의 가능성과 실현 가능성을 입증하였으며, 반자성 스피인트로닉스 장치로의 길을 열었다.