Nat. Mater.：MnPd3中自旋極化產生抗阻尼自旋軌道扭矩的觀測

jiojio 3個月前 (05-16) 1043瀏覽

一、 【導讀】?

控制磁化在超高速度下的高效性一直是自旋電子學領域的研究重點。自旋軌道力矩（SOT）提供了磁電阻隨機存取存儲器（MRAM）和邏輯設備中高效和超快速的磁化控制。SOT在磁性半導體、重金屬、拓撲絕緣體、反鐵磁體和半金屬中被觀測到，并與鐵磁層相接觸。所以大量由拓撲材料和重金屬與鐵磁體界面相互作用產生的SOT非常有前途，可用于下一代磁性存儲和邏輯器件。但是自旋Hall和Edelstein效應產生的y自旋的SOT僅在磁化和自旋共線時才能實現無場磁化開關。

二、【成果掠影】

近日，美國斯坦福大學Mahendra DC和Shan X. Wang通過利用在氧化硅襯底上生長的MnPd3薄膜中產生的非常規自旋，避免了上述限制。觀察到由y自旋引起的常規SOT，以及由z自旋和x自旋引起的MnPd3/CoFeB異質結構中的平面外和平面內抗阻尼自旋軌道扭矩。值得注意的是，通過面外抗阻尼自旋軌道扭矩展示了完全無需外加磁場即可切換垂直鈷的能力。密度泛函理論計算表明，觀察到的非常規扭矩是由于（114）晶面取向的MnPd3薄膜的低對稱性所致。總的來說，該結果為實現超快速磁存儲和邏輯器件中的實用自旋通道提供了一條道路。相關成果以“Observation of anti-damping spin–orbit torques generated by in-plane and out-of-plane spin polarizations in MnPd3”為題發表在Nature materials上。

?三、【核心創新點】

MnPd3薄膜中利用非常規自旋產生的抗阻尼自旋軌道扭矩為超快速磁存儲和邏輯器件中的實用自旋通道提供了新途徑，可實現無需外加磁場即可切換垂直鈷。

?四、【數據概覽】

圖1 MnPd3薄膜的表征。?2023 Springer Nature

a，四方晶系MnPd3晶胞的示意圖。

b，400℃ 30分鐘退火后的Si/SiO2/MnPd3 (50?nm)樣品的實驗X射線衍射譜和有序四方晶系MnPd3相計算的X射線衍射譜。

c，Si/SiO2/MnPd3（10nm）/CoFeB（5nm）/MgO（2nm）/Ta（2nm）樣品的橫截面TEM圖像。

d，Si/SiO2/MnPd3（10nm）樣品的四端電阻隨溫度的變化。

圖2 在Si/SiO2/MnPd3 (x?nm)/CoFeB (5?nm)/MgO (2?nm)/Ta (2?nm)上，使用自旋霍爾震蕩( SHH )技術進行的SOT的表征。?2023 Springer Nature

  1. 示意圖展示了面內電荷流產生的沿三個軸向自旋極化的自旋流。紅色球體代表電子，黃色箭頭代表自旋磁矩。Jc、Js、M和HOe分別代表電荷流密度、自旋流密度、磁化和奧斯特場。

b、c. 在MP12樣品中，當固定面內磁場幅度為約200 mT時，(b)和?(c)作為角度(φ)的函數，角度是磁場和電流方向之間的夾角。

d-f. 在MnPd3薄膜厚度變化的情況下，τADL，x(d)，τADL，y(e)和τADLz(f)引起的有效自旋扭矩效率。

?

圖3 通過z自旋極化產生的抗阻尼SOT展示了外部磁場無需作用即可切換垂直磁化。?2023 Springer Nature

a、隨著面外磁場的變化，反常霍爾電阻的變化。

b、在沿x方向（Hx）施加-8 mT和-20 mT的磁場的情況下，通過SOT實現垂直鈷層的切換，分別針對MP（10 nm）/Co（1 nm）和MP（12 nm）/Co（1 nm）樣品。

c,d、MP（10 nm）/Co（1 nm）（c）和MP（12 nm）/Co（1 nm）（d）。通過由z自旋極化產生的τADL，z實現無外加磁場的垂直Co層切換。

圖4 (114)織構對自旋極化的影響。。?2023 Springer Nature

  1. 在室溫下，化學計量比的MnPd3費米能級（EF）周圍的能量（E）的計算帶結構。x軸上的標簽表示布里淵區中的高對稱點。

b-d. 自旋霍爾電導作為能量的函數。MnPd3（114）薄膜的計算 （b）、（c）和（d）作為能量的函數，其中x軸沿 ?方向取向。

 

五、【成果啟示】

總之，本文章研究了在MnPd3/鐵磁異質結構中由、y和產生的抗阻尼自旋軌道扭矩。在鐵磁相和反鐵磁相中均觀察到了非常規自旋軌道扭矩。密度泛函理論模擬證實了(114) 晶面取向的MnPd3薄膜的低晶體對稱性是觀察到的非常規自旋軌道扭矩的起源。而且成功生長了具有高和相當大的和的導電MnPd3薄膜，在400℃的半小時后的后退火處理后。完全外磁場無需切換了內向和外向磁化方向。觀察到的自旋軌道扭矩對熱處理具有穩健性，并且即使在后退火處理后仍與CoFeB的低阻尼常數相兼容。所有這些都是將基于反鐵磁MnPd3的實用自旋通道集成到下一代基于自旋軌道扭矩的自旋電子學器件中的關鍵因素。

原文詳情：DC, M., Shao, DF., Hou, V.DH. et al. Observation of anti-damping spin–orbit torques generated by in-plane and out-of-plane spin polarizations in MnPd3. Nat. Mater. (2023).

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01522-3

分享到