[論文レビュー] Magnetization switching in polycrystalline Mn3Sn thin film induced by self-generated spin-polarized current

Hang Xie, Xin Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、外部スピン電流注入を必要とせず、自己生成されたスピン極化電流を介して多結晶Mn3Sn薄膜における電気的誘発磁化スイッチングを実証した。スイッチングは厚さ3 nmを超えるMgOバリアに対しても持続し、高MgO厚さにおける極性反転は、従来のスピンオービットトルクに代わって、グレイン間スピン転送トルクが支配的であることを示しており、バイレイヤー構造を必要としない反強磁性スピントロニクスの新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

Electrical manipulation of spins is essential to design state-of-the-art spintronic devices and commonly relies on the spin current injected from a second heavy-metal material. The fact that chiral antiferromagnets produce spin current inspires us to explore the magnetization switching of chiral spins using self-generated spin torque. Here, we demonstrate the electric switching of noncollinear antiferromagnetic state in Mn3Sn by observing a crossover from conventional spin-orbit torque to the self-generated spin torque when increasing the MgO thickness in Ta/MgO/Mn3Sn polycrystalline films. The spin current injection from the Ta layer can be controlled and even blocked by varying the MgO thickness, but the switching sustains even at a large MgO thickness. Furthermore, the switching polarity reverses when the MgO thickness exceeds around 3 nm, which cannot be explained by the spin-orbit torque scenario due to spin current injection from the Ta layer. Evident current-induced switching is also observed in MgO/Mn3Sn and Ti/Mn3Sn bilayers, where external injection of spin Hall current to Mn3Sn is negligible. The inter-grain spin-transfer torque induced by spin-polarized current explains the experimental observations. Our findings provide an alternative pathway for electrical manipulation of non-collinear antiferromagnetic state without resorting to the conventional bilayer structure.

研究の動機と目的

• 外部スピン電流注入に依存せずに、Mn3Snにおける非同一磁化反強磁性状態の電気的制御を検討すること。
• 多結晶Mn3Sn薄膜における磁化スイッチングにおける自己生成スピン極化電流の役割を調査すること。
• 従来のスピンオービットトルクが抑制された状況で、グレイン間スピン転送トルクがスイッチングを駆動できるかどうかを特定すること。
• 高MgO厚さにおけるスイッチング行動の極性反転の背後にあるメカニズムを同定すること。

提案手法

• スピン電流透過を調整できるように、MgO厚さを系統的に変化させたTa/MgO/Mn3Sn三層構造の作製。
• Ta層におけるスピンホール効果を用いてスピン電流を生成し、MgO厚さがMn3Snへの注入を制御する。
• ホールバー構造を用いて、電流およびMgO厚さを変化させた際の磁化スイッチングの測定。
• MgO厚さが3 nmを超えるとスイッチング極性が反転する現象の観察——これは標準的なスピンオービットトルクモデルと矛盾する。
• 外部スピン注入が無視できるMgO/Mn3SnおよびTi/Mn3Snバイレイヤーにおけるスイッチング行動の比較。
• 高MgO厚さにおける持続的スイッチングを説明する主要メカニズムとして、グレイン間スピン転送トルクを提案。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部スピン電流注入を必要とせず、自己生成スピン極化電流を介してMn3Snにおける磁化スイッチングを達成できるか？
• RQ2 MgO厚さが約3 nmを超えると、スピンオービットトルク理論の予測とは反してスイッチング極性が反転するのはなぜか？
• RQ3 厚いMgO層によってスピン電流注入が遮断された状況で、グレイン間スピン転送トルクがスイッチングを駆動できるか？
• RQ4 外部スピン注入が無視できる（例：MgO/Mn3Sn、Ti/Mn3Sn）バイレイヤーにおけるスイッチング行動はどのように異なるか？
• RQ5 従来のスピンオービットトルクが消滅するはずの高MgO厚さにおいて、スイッチングが持続する背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• Mn3Snの多結晶薄膜における磁化スイッチングは、MgO厚さが5 nmまで達しても持続しており、この範囲ではTaからのスピン電流注入が実質的に遮断されている。
• MgO厚さが約3 nmを超えるとスイッチング極性が反転するが、これは従来のスピンオービットトルクメカニズムと矛盾する。
• 外部スピン注入が無視できるMgO/Mn3SnおよびTi/Mn3Snバイレイヤーにおいても顕著な電流誘発スイッチングが観察され、内在的なスイッチングメカニズムの存在を示唆する。
• 観察されたスイッチングは、スピンホール電流注入ではなく、自己生成スピン極化電流に起因するグレイン間スピン転送トルクによるものとされる。
• 本研究の結果は、従来のバイレイヤー構造を必要としない非同一磁化反強磁性状態の電気的制御の実現可能性を示しており、新たな道筋を提供する。
• 結晶粒界効果およびMn3Sn内の内在的スピン極化が、スピントロニクス応用に向けた強固でチューナブルなスイッチングを可能にしていると示唆される。