[论文解读] Compensated magnetic insulators for extremely fast spin-orbitronics

Hengan Zhou, Yiqing Dong+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 40被引用 5

一句话总结

本研究证明，具有垂直磁各向异性的钆镓铁石榴石（Gd3Fe5O12）薄膜等补偿反铁磁绝缘体，可实现高达6000 m/s的自旋-轨道矩（SOT）驱动畴壁（DW）运动速度——超过金属反铁磁体的四倍。绝缘基质中不存在传导电子，从而最小化了磁阻尼，使该新型材料平台具备超快自旋电子学动力学，适用于高速存储器与逻辑器件。

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.

研究动机与目标

• 通过消除传导电子引起的阻尼，探索磁性绝缘体作为超快自旋-轨道电子学平台的潜力。
• 实现超越金属反铁磁体的畴壁（DW）运动速度，后者受限于电子介导的磁阻尼。
• 证明补偿反铁磁性绝缘体可支持适用于下一代自旋电子器件的高速DW动力学。
• 通过可控合成与表征，确立Gd3Fe5O12作为自旋-轨道电子学应用的可行材料体系。
• 评估垂直磁各向异性和绝缘特性在实现高速、低损耗DW运动中的作用。

提出的方法

• 制备具有补偿反铁磁有序和垂直磁各向异性的单晶Gd3Fe5O12薄膜。
• 将Gd3Fe5O12薄膜集成至Pt/Gd3Fe5O12/Pt异质结构中，以在Pt界面高效生成自旋-轨道矩（SOT）。
• 施加平面内电流脉冲，生成自旋-轨道矩，并在跑道结构中驱动DW运动。
• 利用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）实时直接测量DW速度与动力学行为。
• 定量分析DW速度与电流密度的关系，以提取本征阻尼与迁移率参数。
• 将绝缘Gd3Fe5O12中的DW动力学与先前报道的金属反铁磁体进行对比，突出阻尼降低的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 补偿反铁磁性绝缘体能否支持由自旋-轨道矩驱动的超快畴壁运动？
• RQ2 绝缘反铁磁体中缺乏传导电子如何影响磁阻尼与DW迁移率？
• RQ3 具有垂直磁各向异性的绝缘反铁磁体系中，DW速度的最大可实现值是多少？
• RQ4 能否对Gd3Fe5O12薄膜进行工程化设计，使其同时具备强垂直各向异性和低阻尼，以适用于高速自旋电子学应用？
• RQ5 绝缘Gd3Fe5O12中的SOT诱导DW速度与金属反铁磁体相比如何？

主要发现

• 在Gd3Fe5O12/Pt异质结构中，自旋-轨道矩驱动的畴壁速度最高可达6000 m/s，显著超过金属反铁磁体中观测到的1500 m/s。
• 高速DW运动归因于绝缘Gd3Fe5O12中本征的低磁阻尼，其缺乏通常会增强阻尼的传导电子。
• Gd3Fe5O12薄膜表现出强垂直磁各向异性，可在跑道结构中实现稳定且快速的DW运动。
• 磁性绝缘体中无电荷电流，从而最小化焦耳热与能量耗散，支持低功耗运行。
• 由于减少了自旋-旋子散射以及在绝缘基质中完全避免了电子-旋子散射，测得的DW迁移率得到增强。
• 研究结果确立了补偿反铁磁性绝缘体作为超高速自旋电子器件的有前途的新材料平台。