[论文解读] Field-free deterministic switching of a perpendicularly polarized magnet using unconventional spin-orbit torques in WTe2

I-Hsuan Kao, Ryan Muzzio+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 8被引用 8

一句话总结

本研究通过在低对称性晶体结构的量子材料二碲化钨（WTe2）中使用非传统自旋轨道力矩（SOT），实现了对垂直磁化的无外磁场确定性开关。WTe2中产生的垂直方向反阻尼自旋轨道力矩，使得在无外部磁场条件下，可通过电流可靠地实现垂直磁化的反转，该结果已通过数值模拟和实验测量得到验证。

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.

研究动机与目标

• 通过自旋轨道力矩实现无外磁场的垂直磁化确定性开关。
• 克服传统自旋源（如重金属、拓扑绝缘体）因对称性限制而无法产生垂直方向反阻尼力矩的局限。
• 利用低对称性晶体结构的量子材料（如WTe2）生成非传统自旋轨道力矩。
• 通过实验与数值模拟，证明WTe2可产生垂直方向反阻尼力矩，实现垂直磁化开关。
• 实现无需外磁场的能效型、非易失性、超快自旋电子存储器件。

提出的方法

• 采用范德华异质结构，将二维磁性半导体（CrGeTe3）与WTe2作为自旋轨道力矩源集成。
• 施加面内电流，利用WTe2的低对称性晶体结构破坏反演对称性和时间反演对称性，从而产生自旋轨道力矩。
• 通过异常霍尔效应测量磁化开关，以检测垂直磁化方向的确定性反转。
• 基于自旋扩散与力矩模型进行数值模拟，验证WTe2中存在垂直方向反阻尼力矩。
• 利用角度分辨磁光克尔效应与磁输运测量，表征开关动力学特性及力矩对称性。
• 通过将实验测得的开关行为与理论预测进行对比，验证了非传统自旋轨道力矩机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在低对称性材料中利用非传统自旋轨道力矩实现无外磁场的垂直磁化确定性开关？
• RQ2 晶体对称性在WTe2中产生垂直方向反阻尼自旋轨道力矩的过程中起什么作用？
• RQ3 WTe2能否产生足够的反阻尼力矩，以在无外磁场条件下实现垂直磁化的反转？
• RQ4 实验观测到的开关行为与WTe2中非传统SOT的理论预测相比如何？
• RQ5 WTe2中观测到的垂直方向自旋轨道力矩的起源是什么？它与重金属中的传统SOT有何不同？

主要发现

• 首次通过WTe2的自旋轨道力矩，实验实现了对垂直取向CrGeTe3磁体的无外磁场确定性开关。
• 该开关由WTe2中因低对称性晶体结构而产生的垂直方向反阻尼力矩驱动。
• 数值模拟证实，观测到的开关行为与WTe2中存在显著的垂直方向反阻尼力矩高度一致。
• 通过可重复的、电流控制的磁化反转，验证了开关效率，且无需外加磁场。
• 本研究证明，WTe2可产生非传统自旋轨道力矩，能够有效调控垂直磁化，突破传统材料的性能限制。
• 结果表明，WTe2是下一代能效型、非易失性、确定性自旋电子器件的有前途平台。