[논문 리뷰] Field-free deterministic switching of a perpendicularly polarized magnet using unconventional spin-orbit torques in WTe2

I-Hsuan Kao, Ryan Muzzio외 14명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 22.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 8인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 저대칭성 양자물질인 텅스텐 다이텔루라이드(WTe2)에서 비정상적인 스핀 오비트 토크를 이용해 수직 자기화를 가진 반데바울스(vdW) 자성체에서 외부 자기장이 없는 조건에서도 결정적인 스위칭을 구현함을 보여준다. WTe2에서 발생하는 수직 방향의 반다미핑 스핀 오비트 토크는 외부 자기장 없이도 신뢰성 있게 전류 구동에 의해 수직 자기화가 반전되게 하며, 이는 수치 시뮬레이션과 실험 측정을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

Spin-orbit torque (SOT) driven deterministic control of the magnetization state of a magnet with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is key to next generation spintronic applications including non-volatile, ultrafast, and energy efficient data storage devices. But, field-free deterministic switching of perpendicular magnetization remains a challenge because it requires an out-of-plane anti-damping torque, which is not allowed in conventional spin source materials such as heavy metals (HM) and topological insulators due to the system's symmetry. The exploitation of low-crystal symmetries in emergent quantum materials offers a unique approach to achieve SOTs with unconventional forms. Here, we report the first experimental realization of field-free deterministic magnetic switching of a perpendicularly polarized van der Waals (vdW) magnet employing an out-of-plane anti-damping SOT generated in layered WTe2 which is a low-crystal symmetry quantum material. The numerical simulations confirm that out-of-plane antidamping torque in WTe2 is responsible for the observed magnetization switching in the perpendicular direction.

연구 동기 및 목표

• 스핀 오비트 토크를 이용해 수직 극성 자성을 가진 자성체에서 외부 자기장이 없는 조건에서도 결정적인 스위칭을 달성하기 위해.
• 기존의 스핀 소스(예: 고속도 금속, 토폴로지 절연체 등)에서 대칭성 제한으로 인해 수직 방향 반다미핑 토크가 금지되는 문제를 해결하기 위해.
• 저대칭성 결정 구조를 가진 저밀도 양자물질인 WTe2와 같은 물질을 활용해 비정상적인 스핀 오비트 토크를 생성하기 위해.
• 실험적 및 수치적 방법을 통해 WTe2가 수직 자기화 스위칭을 위해 수직 방향 반다미핑 토크를 유도할 수 있음을 입증하기 위해.
• 외부 자기장이 없이도 에너지 효율적이고 비버니시, 초고속 스핀트로닉스 메모리 장치를 실현하기 위해.

제안 방법

• 2차원 자기화 반도체(CrGeTe3)와 WTe2를 스핀 오비트 토크 소스로 사용한 반데바울스 이종구조를 활용하였다.
• WTe2의 낮은 결정 대칭성을 이용해 반전 대칭성과 시간 역행 대칭성을 깨뜨리는 평면 내 전류를 인가하여 스핀 오비트 토크를 생성하였다.
• 이상적 홀 효과를 측정하여 수직 자기화의 결정적 반전을 탐지함으로써 자기화 스위칭을 측정하였다.
• 스핀 확산 및 토크 모델 기반 수치 시뮬레이션을 수행하여 WTe2 내에서 수직 방향 반다미핑 토크 존재 여부를 확인하였다.
• 스위칭 동역학과 토크의 대칭성을 특성화하기 위해 각도 의존성 자기광학 킬 효과 및 자기전도 측정을 수행하였다.
• 실험적 스위칭 행동을 이론적 예측과 비교함으로써 비정상적인 스핀 오비트 토크 메커니즘을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저대칭성 물질에서 비정상적인 스핀 오비트 토크를 이용해 수직 극성 자성을 가진 자성체에서 외부 자기장이 없는 조건에서도 결정적인 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 WTe2에서 수직 방향 반다미핑 스핀 오비트 토크를 가능하게 하는 결정 대칭의 역할은 무엇인가?
• RQ3 WTe2는 외부 자기장 없이도 수직 자기화를 반전시키기에 충분한 반다미핑 토크를 생성할 수 있는가?
• RQ4 실험적으로 관측된 스위칭 행동은 WTe2에서 비정상적인 SOT에 대한 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 수직 방향 스핀 오비트 토크의 기원은 무엇이며, 고속도 금속에서의 전통적 SOT와는 어떻게 다를까?

주요 결과

• WTe2에서 유도된 스핀 오비트 토크를 이용해 수직 극성 CrGeTe3 자성체의 외부 자기장이 없는 결정적 스위칭을 실험적으로 구현하였다.
• 스위칭은 WTe2의 낮은 결정 대칭성으로 인해 발생하는 수직 방향 반다미핑 토크에 의해 유도되었다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 관측된 스위칭 행동이 WTe2 내에서 상당한 수직 방향 반다미핑 토크 존재와 일치함을 확인하였다.
• 외부 자기장 없이도 반복 가능하고 전류 제어가 가능한 자기화 반전을 통해 스위칭 효율성이 입증되었다.
• 이 연구는 WTe2가 기존 물질의 제약을 뛰어넘어 수직 자기화를 제어할 수 있는 비정상적인 스핀 오비트 토크를 생성할 수 있음을 입증하였다.
• 결과적으로 WTe2는 결정적이고 비버니시 메모리 작동이 가능한 차세대 에너지 효율적 스핀트로닉스 장치의 유망한 플랫폼으로 자리매김한다.