[论文解读] Efficient current-induced spin torques and field-free magnetization switching in a room-temperature van der Waals magnet

Chao Yun, Haoran Guo+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究在室温下实现了Fe3GaTe2/Pt范德华异质结中的高效电流驱动自旋扭矩及无场磁化翻转。通过利用本征的垂直磁各向异性和非对称结构，研究人员在无外加磁场条件下实现了全电流驱动的磁化翻转，从而为低功耗自旋电子学器件提供了高自旋扭矩效率。

ABSTRACT

The discovery of magnetism in van der Waals (vdW) materials has established unique building blocks for the research of emergent spintronic phenomena. In particular, owing to their intrinsically clean surface without dangling bonds, the vdW magnets hold the potential to construct a superior interface that allows for efficient electrical manipulation of magnetism. Despite several attempts in this direction, it usually requires a cryogenic condition and the assistance of external magnetic fields, which is detrimental to the real application. Here, we fabricate heterostructures based on Fe3GaTe2 flakes that possess room-temperature ferromagnetism with excellent perpendicular magnetic anisotropy. The current-driven non-reciprocal modulation of coercive fields reveals a high spin-torque efficiency in the Fe3GaTe2/Pt heterostructures, which further leads to a full magnetization switching by current. Moreover, we demonstrate the field-free magnetization switching resulting from out-of-plane polarized spin currents by asymmetric geometry design. Our work could expedite the development of efficient vdW spintronic logic, memory and neuromorphic computing devices.

研究动机与目标

• 在室温下实现范德华磁体中磁性的高效电调控。
• 克服以往自旋扭矩实验中低温运行和外加磁场的限制。
• 在二维磁性异质结中，通过电流驱动自旋扭矩实现无场磁化翻转。
• 量化基于范德华材料的自旋电子器件中的自旋扭矩效率。
• 推动自旋逻辑、存储和类脑计算等实际应用的发展。

提出的方法

• 采用具有本征室温铁磁性的机械剥离Fe3GaTe2纳米片，制备Fe3GaTe2/Pt异质结。
• 利用非对称器件结构产生垂直极化的自旋电流。
• 通过电流注入下非互易矫顽力调制，推断自旋扭矩效率。
• 利用电输运测量确认全电流驱动的磁化翻转。
• 表征Fe3GaTe2中的垂直磁各向异性，以稳定磁性态。
• 利用范德华异质结中清洁、原子级平整的界面，最小化散射并增强自旋注入。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下的范德华磁体中实现高效的电流驱动自旋扭矩？
• RQ2 能否在二维磁性异质结中通过自旋轨道矩实现无场磁化翻转？
• RQ3 Fe3GaTe2/Pt异质结中的自旋扭矩效率与传统材料相比如何？
• RQ4 非对称结构如何实现垂直极化的自旋电流，从而实现翻转？
• RQ5 能否在无外加磁场条件下实现室温、低功耗的磁化翻转？

主要发现

• Fe3GaTe2/Pt异质结在室温下表现出铁磁性，并具有强垂直磁各向异性。
• 电流注入下矫顽力的非互易调制证实了高自旋扭矩效率。
• 在无任何外加磁场条件下实现了全电流驱动的磁化翻转。
• 非对称结构实现了垂直极化的自旋电流，从而驱动无场翻转。
• 由于范德华界面的洁净性以及Pt中高的自旋轨道耦合，自旋扭矩效率显著增强。
• 该系统在室温下表现出稳定、可重复的翻转行为，适用于实际自旋电子学应用。