[논문 리뷰] Compensated magnetic insulators for extremely fast spin-orbitronics

Hengan Zhou, Yiqing Dong외 14명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 04.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 경사자성 반도체 절연체, 특히 수직 자기이방성이 있는 Gd3Fe5O12 투명막을 통해 스핀-오빗 토크(SOT)에 의해 유도된 도메인벽(DW) 이동 속도가 최대 6000 m/s에 이를 수 있음을 입증한다—이것은 금속성 경사자성체에서 관측된 것보다 네 배 이상 빠른 속도이다. 도전 전자가 없는 절연체 기반 구조는 자기 감쇠를 최소화하여 고속 메모리 및 논리 장치를 위한 새로운 재료 플랫폼에서 초고속 스핀트로닉스 동역학을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The fast spin dynamics provide many opportunities for the future communication and memory technologies. One of the most promising examples is the domain wall (DW) racetrack memory. To achieve fast device performances, the high-speed motion of DWs is naturally demanded that leaves antiferromagnets (AFMs) and compensated ferrimagnets (FIMs) as the promising materials. While controlling and probing the dynamics of DWs in AFMs remains challenging, the fast motion of DWs with velocities around 1500 m/s has been demonstrated in metallic FIMs. The velocity of DWs in metallic FIMs is, however, suppressed by the magnetic damping of conduction electrons, which motivates us to explore how fast DWs can move in insulating FIMs where the conduction electron is absent. In this work, through synthesizing compensated FIM insulator Gd3Fe5O12 thin films with a perpendicular magnetic anisotropy, we demonstrate that the spin-orbit torque (SOT) induced motion of DWs along the Gd3Fe5O12/Pt racetrack can approach 6000 m/s. Our results show that the exceptionally fast motion of DWs can be achieved in compensated FIM insulators owing to small damping inherent to magnetic insulators, which could potentially facilitate the emerging ultrahigh-speed spintronic logics and racetrack memories by introducing insulating compensated FIMs as a new material platform.

연구 동기 및 목표

• 도전 전자 감쇠를 제거함으로써 스핀-오빗로니크스를 위한 새로운 플랫폼으로서 절연체 성질을 띤 자기체의 잠재력을 탐색하기 위해.
• 전자 기반 자기 감쇠로 제한되는 금속성 경사자성체보다 더 빠른 도메인벽(DW) 이동을 달성하기 위해.
• 보상된 경사자성 절연체가 차세대 스핀트로닉스 장치에 적합한 고속 DW 동역학을 지원할 수 있음을 입증하기 위해.
• 통제된 합성과 특성 분석을 통해 Gd3Fe5O12를 스핀-오빗로니크스 응용에 실현 가능한 재료 체계로 확립하기 위해.
• 수직 자기이방성과 절연체 성질이 빠르고 에너지 손실이 적은 DW 이동을 가능하게 하는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 보상된 경사자성 순서와 수직 자기이방성을 갖춘 단결정 Gd3Fe5O12 투명막의 합성.
• Gd3Fe5O12 투명막을 Pt/Gd3Fe5O12/Pt 이중막으로 통합하여 Pt 인터페이스에서 효율적인 스핀-오빗 토크(SOT) 생성을 가능하게 하기 위해.
• 수평 방향의 전류 펄스를 적용하여 스핀-오빗 토크를 생성하고 레이서트랙 기하구조를 따라 도메인벽을 이동시키기 위해.
• 시간 해상도를 가진 자기광학 케러 효과(TR-MOKE)를 사용하여 실시간으로 도메인벽 속도와 동역학을 직접 측정하기 위해.
• 전류 밀도에 따른 도메인벽 속도의 정량적 분석을 통해 내재된 감쇠 및 이동도 파rameter 추출하기 위해.
• 이전에 보고된 금속성 경사자성체와의 비교를 통해 감쇠 감소의 이점을 부각시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보상된 경사자성 절연체는 스핀-오빗 토크에 의해 초고속 도메인벽 이동을 지원할 수 있는가?
• RQ2 절연체 성질을 띤 경사자성체에서 도전 전자가 없는 것이 자기 감쇠와 DW 이동도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 수직 자기이방성이 있는 절연체 성질의 경사자성체에서 도달 가능한 최대 도메인벽 이동 속도는 얼마인가?
• RQ4 Gd3Fe5O12 투명막은 고속 스핀트로닉스 응용을 위해 강한 수직 이방성과 낮은 감쇠를 동시에 갖출 수 있도록 설계될 수 있는가?
• RQ5 절연체 성질의 Gd3Fe5O12에서 SOT에 의해 유도된 도메인벽 이동 속도는 금속성 경사자성체와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• Gd3Fe5O12/Pt 이중막에서 스핀-오빗 토크에 의해 유도된 도메인벽 속도는 최대 6000 m/s에 도달하며, 이는 금속성 경사자성체에서 관측된 1500 m/s보다 현저히 높다.
• 고속 도메인벽 이동은 도전 전자가 없어 자기 감쇠가 본질적으로 낮은 절연체 성질의 Gd3Fe5O12 덕분이며, 이는 감쇠를 증가시키는 전자 기반 메커니즘을 피하기 때문이다.
• Gd3Fe5O12 투명막은 강한 수직 자기이방성을 나타내어 안정적이고 고속의 도메인벽 이동이 가능하게 한다.
• 자기 절연체 내에서 전류가 없기에 저항 손실과 에너지 손실이 최소화되어 저전력 작동이 가능하다.
• 절연체 기반에서의 스핀-마그논 산란과 전자-마그논 산란이 감소함에 따라 도메인벽 이동도가 향상된다.
• 결과적으로 보상된 경사자성 절연체는 초고속 스핀트로닉스 장치를 위한 유망한 새로운 재료 플랫폼으로 확립된다.