[论文解读] Deterministic Domain Wall Motion Orthogonal To Current Flow Due To Spin Orbit Torque

Debanjan Bhowmik, Mark Nowakowski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2014

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用 8

一句话总结

该论文通过自旋轨道矩（SOT）机制，在Ta/CoFeB/MgO多层膜中实现了与电流方向垂直的确定性、电流驱动的畴壁运动，该机制与传统的自旋转移矩截然不同。所观察到的正交运动——仅靠自旋转移矩无法实现——由重金属性（Ta）中的自旋-轨道耦合所实现，并通过电流或平面内磁场极性反转时畴壁运动的可逆性得到验证，测得Ta的SOT效率为0.08。

ABSTRACT

Deterministic control of domain walls orthogonal to the direction of current flow is demonstrated by exploiting spin orbit torque in a perpendicularly polarized Ta/CoFeB/MgO multilayer in presence of an in-plane magnetic field. Notably, such orthogonal motion with respect to current flow is not possible from traditional spin transfer torque driven domain wall propagation even in presence of an external magnetic field. Reversing the polarity of either the current flow or the in-plane field is found to reverse the direction of the domain wall motion. From these measurements, which are unaffected by any conventional spin transfer torque by symmetry, we estimate the spin orbit torque efficiency of Ta to be 0.08.

研究动机与目标

• 实现与电流方向正交的确定性畴壁运动，这是传统自旋转移矩无法实现的。
• 证明在如Ta等重金属中，自旋轨道矩可在垂直磁化体系中实现此类正交运动。
• 量化在施加平面内磁场条件下，Ta基异质结构中的自旋轨道矩效率。
• 通过对称性分析，消除传统自旋转移矩贡献，从而隔离并确认SOT驱动的动力学行为。

提出的方法

• 采用具有垂直磁各向异性的Ta/CoFeB/MgO多层膜结构以容纳畴壁。
• 施加平面内电流和平面内磁场以诱导和控制畴壁运动。
• 利用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）实现实时光学成像，观测畴壁动力学。
• 系统性地反转电流极性和平面内磁场方向，以探究畴壁运动的对称性和方向性。
• 通过对称性分析区分SOT驱动运动与自旋转移矩效应。
• 基于测量的壁速度和电流密度估算自旋轨道矩效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过自旋轨道矩在电流流动方向正交方向诱导畴壁运动？
• RQ2 在电流或磁场极性反转下，所观察到的畴壁运动是否具有确定性和可逆性？
• RQ3 钽在CoFeB/MgO基异质结构中的自旋轨道矩效率是多少？
• RQ4 在该体系中，自旋轨道矩能否独立于传统自旋转移矩驱动畴壁运动？
• RQ5 平面内磁场的存在如何影响SOT驱动畴壁运动的方向与控制能力？

主要发现

• 观察到畴壁运动方向与电流方向正交，证实了一种新型SOT驱动机制。
• 反转电流极性或平面内磁场方向可使畴壁运动方向反转，证实了确定性控制。
• 测得Ta的自旋轨道矩效率为0.08，表明该异质结构中存在强烈的SOT效应。
• 由于对称性，传统自旋转移矩贡献被消除，证实SOT占主导地位。
• 在不同电流和磁场条件下，系统表现出鲁棒且可重复的畴壁运动，展示了实际可行性。
• 研究结果为具有正交、电流控制畴壁运动的自旋电子器件开辟了新路径。