[论文解读] Spin torque control of antiferromagnetic moments in NiO

Takahiro Moriyama, Kent Oda+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2017

Ichthyology and Marine Biology被引用 3

一句话总结

本研究展示了在镍氧化物（NiO）中通过电流传导实现自旋扭矩对反铁磁矩的控制，仅需约5 × 10⁷ A/cm²的低电流密度即可实现操控。反铁磁序的取向通过自旋霍尔磁阻效应进行探测，为基于自旋扭矩的反铁磁性存储器铺平道路，并推动了反铁磁自旋电子学这一新兴领域的发展。

ABSTRACT

For a long time, there have been no efficient ways of controlling antiferromagnets. Quite a strong magnetic field was required to manipulate the magnetic moments because of a high molecular field and a small magnetic susceptibility. It was also difficult to detect the orientation of the magnetic moments since the net magnetic moment is effectively zero. For these reasons, research on antiferromagnets has not been progressed as drastically as that on ferromagnets which are the main materials in modern spintronic devices. Here we show that the magnetic moments in NiO, a typical natural antiferromagnet, can indeed be controlled by the spin torque with a relatively small electric current density (~5 x 10^7 A/cm^2) and their orientation is detected by the transverse resistance resulting from the spin Hall magnetoresistance . The demonstrated techniques of controlling and detecting antiferromagnets would outstandingly promote the methodologies in the recently emerged "antiferromagnetic spintronics". Furthermore, our results essentially lead to a spin torque antiferromagnetic memory.

研究动机与目标

• 为克服长期以来高效控制反铁磁矩的挑战，因为高分子场和近乎为零的净磁矩使得其难以操控。
• 开发一种检测NiO等材料中反铁磁序取向的方法，其中传统磁测量技术无效。
• 证明可通过电流传导产生的自旋扭矩诱导反铁磁矩的重新取向，从而为自旋电子器件的应用提供可能。
• 通过结合电流驱动控制与电学探测，建立反铁磁性存储器的可行路径。

提出的方法

• 通过Pt/NiO异质结构施加自旋极化电流，对NiO中的反铁磁矩施加自旋扭矩。
• 利用铂（Pt）中的自旋霍尔效应生成横向自旋电流，使其与NiO反铁磁体耦合。
• 通过自旋霍尔磁阻（SMR）效应，测量Pt层中的横向电阻，作为探测反铁磁序取向的手段。
• 通过调节电流方向和大小控制反铁磁态，诱导在不同反铁磁构型之间的切换。
• 采用低电流密度（~5 × 10⁷ A/cm²）实现确定性切换，最大限度减少焦耳热和器件退化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过电流传导产生的自旋扭矩控制NiO中的反铁磁矩？
• RQ2 NiO中反铁磁序的取向是否可通过自旋霍尔磁阻等电学手段探测？
• RQ3 能否以适合实际器件应用的低电流密度实现反铁磁序的确定性切换？
• RQ4 NiO中的自旋扭矩效应是否能为反铁磁性存储器应用提供可行路径？

主要发现

• 成功利用约5 × 10⁷ A/cm²的电流密度产生的自旋扭矩，对NiO中的反铁磁矩实现重新取向，该电流密度显著低于以往反铁磁体控制所需的水平。
• 通过Pt盖层中的自旋霍尔磁阻效应探测到反铁磁序的取向，证实了反铁磁态的切换。
• 观测到的横向电阻变化具有可重复性和可逆性，表明反铁磁序的电学探测具有可靠性。
• 所展示的控制与探测方案可实现不同反铁磁构型之间的确定性切换，这是存储器应用的关键要求。
• 结果验证了基于自旋扭矩在反铁磁体中实现操控的可行性，为反铁磁自旋电子器件的发展开辟了道路。