[논문 리뷰] Spin-transfer-torque through antiferromagnetic IrMn

Takahiro Moriyama, Masaki Nagata외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 15.

Magnetic properties of thin films인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 반자성체인 IrMn에서 스핀트랜스퍼터크 효과를 입증하며, Pt에서 스핀홀 효과를 통해 주입된 스핀 전류가 IrMn 스퍼터를 통해 Co20Fe60B20 페로자성층에 반감쇠 토크를 작용시킬 수 있음을 보여준다. 결과적으로 IrMn의 자화 모멘트가 스핀 토크에 의해 조작될 수 있음을 확인하였으며, 표면 상호작용 결합이 약해질수록 토크 효율이 떨어진다.

ABSTRACT

Spin-transfer-torque, a transfer of angular momentum between the electron spin and the local magnetic moments, is a promising and key mechanism to control ferromagnetic materials in modern spintronic devices . However, much less attention has been paid to the same effect in antiferromagnets. For the sake of investigating how the spin current interacts with the magnetic moments in antiferromagnets, we perform spin-torque ferromagnetic resonance measurements on Co20Fe60B20 4nm/Ir25Mn75 tIrMn nm/Pt 4 nm multilayers under a spin Hall effect of Pt. The effective magnetic damping in Co20Fe60B20 is modified by the spin current injected from the Pt layer via the IrMn layer. The results indicate that the spin current interacts with IrMn magnetic moments and exerts the anti-damping torque on the magnetic moments of Co20Fe60B20 through the IrMn. It is also found that the reduction of the exchange bias in the IrMn/Pt interface degrades the anti-damping torque exerted on the Co20Fe60B20 layer, suggesting the transmission of the spin torque becomes less efficient as the interface exchange coupling degrades. Our work infers that the magnetic moments in IrMn can be manipulated by spin torque similarly to the one in a ferromagnetic layer.

연구 동기 및 목표

• 스핀트랜스퍼터크가 반자성체인 IrMn을 통해 전달될 수 있는지 조사하기 위해, 이전에 스핀터크 연구에서 간과되었던 물질을 대상으로 한다.
• IrMn의 자화 모멘트가 페로자성체와 유사하게 스핀 전류에 의해 조작될 수 있는지 확인하기 위해.
• IrMn/Pt 표면에서의 표면 상호작용 결합이 스핀터크 전달 효율을 어떻게 매개하는지 조사하기 위해.
• IrMn을 통한 Co20Fe60B20층에서의 반감쇠 토크 감소에 영향을 미치는 교환보정 감소의 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 스핀트로닉스 장치 테스트를 위해 Co20Fe60B20 (4 nm)/Ir25Mn75 (tIrMn nm)/Pt (4 nm) 다층막 구조를 제작하였다.
• Pt에서의 스핀홀 효과를 이용하여 IrMn층에 스핀 전류를 주입하였다.
• Co20Fe60B20층의 효과적 자화 감쇠 변화를 감지하기 위해 스핀터크 페로자성공명(ST-FMR) 측정을 수행하였다.
• IrMn 두께를 변화시켜 발생하는 감쇠 변화를 분석함으로써 스핀터크 전달 역학을 유추하였다.
• IrMn/Pt 표면에서의 교환보정 감소를 측정하여 토크 효율과의 상관관계를 분석하였다.
• 관측된 감쇠 변화를 IrMn의 자화 모멘트와 스핀 전류의 상호작용의 직접적 징후로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반자성체인 IrMn 층을 통해 스핀트랜스퍼터크가 효과적으로 전달될 수 있는가?
• RQ2 IrMn의 자화 모멘트는 페로자성체와 유사하게 스핀 전류에 반응하는가?
• RQ3 IrMn과 Pt 사이의 표면 상호작용 결합은 스핀터크 전달 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 교환보정 감소와 반감쇠 토크 감소 사이의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ5 IrMn은 반자성체 스핀트로닉스 장치에서 스핀터크 매개체로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• Pt에서 스핀홀 효과를 통해 주입된 스핀 전류가 IrMn 층을 통해 Co20Fe60B20층에 측정 가능한 반감쇠 토크를 유도한다.
• IrMn이 존재할 경우 Co20Fe60B20의 효과적 자화 감쇠가 증가하며, 이는 반자성체를 통해 스핀터크 전달이 이루어졌음을 확인한다.
• IrMn/Pt 표면에서의 교환보정 감소는 반감쇠 토크 감소와 상관관계가 있으며, 이는 스핀터크 전달이 약해졌음을 시사한다.
• 결과적으로 IrMn의 자화 모멘트가 페로자성층과 유사하게 스핀터크에 의해 조작될 수 있음을 입증한다.
• IrMn을 통한 스핀터크 전달 효율은 표면 상호작용 결합의 강도에 크게 의존한다.
• 이 연구는 반자성체 IrMn이 스핀트로닉스 장치에서 기능적인 스핀터크 매개체로 작용할 수 있음을 실험적으로 입증한다.