[论文解读] Spin-transfer-torque through antiferromagnetic IrMn

Takahiro Moriyama, Masaki Nagata+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2014

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

本研究在反铁磁性IrMn中展示了自旋转移矩效应，表明通过Pt中的自旋霍尔效应注入的自旋流，可借助IrMn阻隔层在Co20Fe60B20铁磁层中产生反向阻尼力矩。结果证实，IrMn的磁矩可被自旋扭矩操控，且随着界面交换耦合减弱，力矩效率下降。

ABSTRACT

Spin-transfer-torque, a transfer of angular momentum between the electron spin and the local magnetic moments, is a promising and key mechanism to control ferromagnetic materials in modern spintronic devices . However, much less attention has been paid to the same effect in antiferromagnets. For the sake of investigating how the spin current interacts with the magnetic moments in antiferromagnets, we perform spin-torque ferromagnetic resonance measurements on Co20Fe60B20 4nm/Ir25Mn75 tIrMn nm/Pt 4 nm multilayers under a spin Hall effect of Pt. The effective magnetic damping in Co20Fe60B20 is modified by the spin current injected from the Pt layer via the IrMn layer. The results indicate that the spin current interacts with IrMn magnetic moments and exerts the anti-damping torque on the magnetic moments of Co20Fe60B20 through the IrMn. It is also found that the reduction of the exchange bias in the IrMn/Pt interface degrades the anti-damping torque exerted on the Co20Fe60B20 layer, suggesting the transmission of the spin torque becomes less efficient as the interface exchange coupling degrades. Our work infers that the magnetic moments in IrMn can be manipulated by spin torque similarly to the one in a ferromagnetic layer.

研究动机与目标

• 研究自旋转移矩是否可透过此前在自旋扭矩研究中被忽视的反铁磁性IrMn材料传递。
• 确定IrMn中的磁矩是否能像铁磁材料一样被自旋流操控。
• 研究IrMn/Pt界面处的界面交换耦合在调控自旋扭矩传递效率中的作用。
• 量化交换偏置减弱对通过IrMn传递至Co20Fe60B20层的反向阻尼力矩的影响。

提出的方法

• 制备了用于自旋电子器件测试的Co20Fe60B20（4 nm）/Ir25Mn75（tIrMn nm）/Pt（4 nm）多层膜结构。
• 利用Pt中的自旋霍尔效应将自旋流注入IrMn层。
• 通过自旋扭矩铁磁共振（ST-FMR）测量检测Co20Fe60B20层中有效磁阻尼的变化。
• 改变IrMn厚度并分析由此产生的阻尼变化，以推断自旋扭矩传递动力学。
• 测量IrMn/Pt界面处交换偏置的退化情况，以与力矩效率相关联。
• 将观测到的阻尼变化作为自旋流与IrMn磁矩相互作用的直接标志。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋转移矩能否有效透过反铁磁性IrMn层传递？
• RQ2 IrMn中的磁矩是否以类似于铁磁材料的方式响应自旋流？
• RQ3 IrMn与Pt之间的界面交换耦合如何影响自旋扭矩传递效率？
• RQ4 交换偏置退化与反向阻尼力矩减少之间的定量关系是什么？
• RQ5 IrMn能否用作反铁磁自旋电子器件中的自旋扭矩中介材料？

主要发现

• 通过Pt中自旋霍尔效应注入的自旋流，可在IrMn层的Co20Fe60B20层中诱导出可测量的反向阻尼力矩。
• 当存在IrMn时，Co20Fe60B20的有效磁阻尼增加，证实了自旋扭矩通过反铁磁体的传递。
• IrMn/Pt界面处交换偏置的降低与反向阻尼力矩的减小相关，表明自旋扭矩传递变弱。
• 结果表明，IrMn的磁矩可像铁磁层一样被自旋扭矩操控。
• 自旋扭矩通过IrMn的传递效率强烈依赖于界面交换耦合的强度。
• 本研究提供了实验证据，表明反铁磁性IrMn可在自旋电子器件中作为功能性的自旋扭矩中介材料。