[论文解读] Efficient field-free perpendicular magnetization switching by a magnetic spin Hall effect

Shuai Hu, Ding‐Fu Shao+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 42被引用 4

一句话总结

该论文展示了利用非共线反铁磁体（如Mn3Sn）中的磁性自旋霍尔效应，在Ni/Co多层膜中实现高效、无外场的垂直磁化翻转。面内电流产生具有自旋极化的面外自旋流，这是由于Mn3Sn的磁性空间群对称性所致，从而产生确定性的反向阻尼力矩，实现低电流、无外场翻转，其效率和可靠性优于传统自旋轨道矩器件。

ABSTRACT

Current induced spin-orbit torques driven by the conventional spin Hall effect are widely used to manipulate the magnetization. This approach, however, is nondeterministic and inefficient for the switching of magnets with perpendicular magnetic anisotropy that are demanded by the high-density magnetic storage and memory devices. Here, we demonstrate that this limitation can be overcome by exploiting a magnetic spin Hall effect in noncollinear antiferromagnets, such as Mn3Sn. The magnetic group symmetry of Mn3Sn allows generation of the out-of-plane spin current carrying spin polarization induced by an in-plane charge current. This spin current drives an out-of-plane anti-damping torque providing deterministic switching of perpendicular magnetization of an adjacent Ni/Co multilayer. Compared to the conventional spin-orbit torque devices, the observed switching does not need any external magnetic field and requires much lower current density. Our results demonstrate great prospects of exploiting the magnetic spin Hall effect in noncollinear antiferromagnets for low-power spintronics.

研究动机与目标

• 解决传统自旋轨道矩器件在翻转高各向异性垂直磁性材料时效率低下且非确定性的问题。
• 探索非共线反铁磁体（如Mn3Sn）在产生具有面外自旋极化的自旋流方面的潜力。
• 利用磁性自旋霍尔效应实现低电流密度下的确定性、无外场垂直磁化翻转。
• 展示一种可扩展、低功耗的传统自旋转移矩与自旋轨道矩存储器件的替代方案。

提出的方法

• 利用具有非反演对称性的非共线反铁磁体Mn3Sn中的磁性自旋霍尔效应。
• 施加面内电荷电流，利用磁性空间群对称性产生横向的、具有自旋极化的面外自旋流。
• 将Mn3Sn层与Ni/Co多层膜集成，通过生成的自旋流实现自旋转移矩。
• 利用时间分辨磁光克尔显微镜测量磁化翻转动力学，验证无外场、确定性的翻转行为。
• 通过电流密度依赖性分析及与传统自旋轨道矩器件的对比，量化翻转效率。
• 采用对称性分析与第一性原理计算，确认Mn3Sn中磁性自旋霍尔效应的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 非共线反铁磁体（如Mn3Sn）中的磁性自旋霍尔效应能否实现高效、无外场的垂直磁化翻转？
• RQ2 磁性空间群对称性在将面内电荷电流转换为面外自旋流的过程中起什么作用？
• RQ3 与传统自旋轨道矩相比，磁性自旋霍尔效应在电流密度和可靠性方面的翻转效率如何？
• RQ4 能否通过该机制实现无需外加磁场的确定性翻转？
• RQ5 该方法实现可靠翻转所需的最小电流密度的物理极限是什么？

主要发现

• 在面内电荷电流作用下，Mn3Sn中的磁性自旋霍尔效应可产生稳定的、具有自旋极化的面外自旋流，从而实现有效的自旋力矩。
• 所诱导的反向阻尼力矩可实现相邻Ni/Co多层膜中垂直磁化的确定性、无外场翻转。
• 与传统自旋轨道矩器件相比，该方法在显著更低的电流密度下实现翻转，展现出更高的能量效率。
• 在传统自旋轨道矩系统中翻转为非确定性，而由于Mn3Sn中对称性保护的自旋流，该方法实现了确定性翻转。
• 理论分析证实，Mn3Sn的磁性空间群对称性是产生面外自旋流的关键因素。
• 结果表明，该方法为实现低功耗、高密度自旋电子学存储与逻辑器件提供了可行路径。