Nat. Mater.：MnPd3中自旋极化产生抗阻尼自旋轨道扭矩的观测

jiojio 12个月前 (05-16) 1624浏览

一、 【导读】 

控制磁化在超高速度下的高效性一直是自旋电子学领域的研究重点。自旋轨道力矩（SOT）提供了磁电阻随机存取存储器（MRAM）和逻辑设备中高效和超快速的磁化控制。SOT在磁性半导体、重金属、拓扑绝缘体、反铁磁体和半金属中被观测到，并与铁磁层相接触。所以大量由拓扑材料和重金属与铁磁体界面相互作用产生的SOT非常有前途，可用于下一代磁性存储和逻辑器件。但是自旋Hall和Edelstein效应产生的y自旋的SOT仅在磁化和自旋共线时才能实现无场磁化开关。

二、【成果掠影】

近日，美国斯坦福大学Mahendra DC和Shan X. Wang通过利用在氧化硅衬底上生长的MnPd3薄膜中产生的非常规自旋，避免了上述限制。观察到由y自旋引起的常规SOT，以及由z自旋和x自旋引起的MnPd3/CoFeB异质结构中的平面外和平面内抗阻尼自旋轨道扭矩。值得注意的是，通过面外抗阻尼自旋轨道扭矩展示了完全无需外加磁场即可切换垂直钴的能力。密度泛函理论计算表明，观察到的非常规扭矩是由于（114）晶面取向的MnPd3薄膜的低对称性所致。总的来说，该结果为实现超快速磁存储和逻辑器件中的实用自旋通道提供了一条道路。相关成果以“Observation of anti-damping spin–orbit torques generated by in-plane and out-of-plane spin polarizations in MnPd3”为题发表在Nature materials上。

 三、【核心创新点】

MnPd3薄膜中利用非常规自旋产生的抗阻尼自旋轨道扭矩为超快速磁存储和逻辑器件中的实用自旋通道提供了新途径，可实现无需外加磁场即可切换垂直钴。

 四、【数据概览】

图1 MnPd3薄膜的表征。©2023 Springer Nature

a，四方晶系MnPd3晶胞的示意图。

b，400℃ 30分钟退火后的Si/SiO2/MnPd3 (50 nm)样品的实验X射线衍射谱和有序四方晶系MnPd3相计算的X射线衍射谱。

c，Si/SiO2/MnPd3（10nm）/CoFeB（5nm）/MgO（2nm）/Ta（2nm）样品的横截面TEM图像。

d，Si/SiO2/MnPd3（10nm）样品的四端电阻随温度的变化。

图2 在Si/SiO2/MnPd3 (x nm)/CoFeB (5 nm)/MgO (2 nm)/Ta (2 nm)上，使用自旋霍尔震荡( SHH )技术进行的SOT的表征。©2023 Springer Nature

  1. 示意图展示了面内电荷流产生的沿三个轴向自旋极化的自旋流。红色球体代表电子，黄色箭头代表自旋磁矩。Jc、Js、M和HOe分别代表电荷流密度、自旋流密度、磁化和奥斯特场。

b、c. 在MP12样品中，当固定面内磁场幅度为约200 mT时，(b)和 (c)作为角度(φ)的函数，角度是磁场和电流方向之间的夹角。

d-f. 在MnPd3薄膜厚度变化的情况下，τADL，x(d)，τADL，y(e)和τADLz(f)引起的有效自旋扭矩效率。

 

图3 通过z自旋极化产生的抗阻尼SOT展示了外部磁场无需作用即可切换垂直磁化。©2023 Springer Nature

a、随着面外磁场的变化，反常霍尔电阻的变化。

b、在沿x方向（Hx）施加-8 mT和-20 mT的磁场的情况下，通过SOT实现垂直钴层的切换，分别针对MP（10 nm）/Co（1 nm）和MP（12 nm）/Co（1 nm）样品。

c,d、MP（10 nm）/Co（1 nm）（c）和MP（12 nm）/Co（1 nm）（d）。通过由z自旋极化产生的τADL，z实现无外加磁场的垂直Co层切换。

图4 (114)织构对自旋极化的影响。。©2023 Springer Nature

  1. 在室温下，化学计量比的MnPd3费米能级（EF）周围的能量（E）的计算带结构。x轴上的标签表示布里渊区中的高对称点。

b-d. 自旋霍尔电导作为能量的函数。MnPd3（114）薄膜的计算 （b）、（c）和（d）作为能量的函数，其中x轴沿  方向取向。

 

五、【成果启示】

总之，本文章研究了在MnPd3/铁磁异质结构中由、y和产生的抗阻尼自旋轨道扭矩。在铁磁相和反铁磁相中均观察到了非常规自旋轨道扭矩。密度泛函理论模拟证实了(114) 晶面取向的MnPd3薄膜的低晶体对称性是观察到的非常规自旋轨道扭矩的起源。而且成功生长了具有高和相当大的和的导电MnPd3薄膜，在400℃的半小时后的后退火处理后。完全外磁场无需切换了内向和外向磁化方向。观察到的自旋轨道扭矩对热处理具有稳健性，并且即使在后退火处理后仍与CoFeB的低阻尼常数相兼容。所有这些都是将基于反铁磁MnPd3的实用自旋通道集成到下一代基于自旋轨道扭矩的自旋电子学器件中的关键因素。

原文详情：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

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