スパッタリングにより成膜された磁性絶縁体の電流誘起磁化反転に成功~情報機器を大幅に省エネルギー化する技術開発を加速~

2025-10-10 九州大学

九州大学の研究チームは、スパッタリング法で作製した磁性絶縁体「Y₃Fe₅O₁₂(YIG)」薄膜において、電流による磁化反転を世界で初めて実証した。これまで磁化制御には金属強磁性体が用いられていたが、絶縁体での成功は初。電流を流すとスピン軌道トルクが誘起され、外部磁場なしで磁化が反転した。絶縁体のため電流損失が極めて少なく、次世代スピントロニクス素子の超省電力化に道を開く成果である。

スパッタリングにより成膜された磁性絶縁体の電流誘起磁化反転に成功~情報機器を大幅に省エネルギー化する技術開発を加速~
電流パルスによる磁化反転のイメージ図 磁性絶縁体TmIGの磁化を白金(Pt)の電流により反転させる。

<関連情報>

オンアクシスマグネトロンスパッタリング法で作製した垂直磁気異方性エピタキシャル強磁性絶縁体の決定論的スピン軌道トルクスイッチング Deterministic spin-orbit torque switching of epitaxial ferrimagnetic insulator with perpendicular magnetic anisotropy fabricated by on-axis magnetron sputtering

Roselle Ngaloy,Naoto Yamashita,Bing Zhao,Soojung Kim,Kohei Yamashita,Ivo P. C. Cools,Marlis N. Agusutrisno,Soobeom Lee,Yuichiro Kurokawa,Chun-Yeol You,Hiromi Yuasa & Saroj P. Dash
npj Spintronics  Published:10 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s44306-025-00105-z

Abstract

Current-induced switching of magnetization states in ferromagnet/spin-orbit material heterostructures has attracted significant attention, driven by the increasing need for low power consumption and a more efficient mechanism for magnetization switching. However, current shunting for the used metallic ferromagnets remains challenging in achieving low switching current densities. Thulium iron garnet, Tm3Fe5O12 (TmIG), is promising for such devices as it exhibits strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and fast magnetization dynamics. However, there still remains a technological challenge in the growth of TmIG films using industry-compatible magnetron sputtering in a simple on-axis geometry for spintronic device applications. Here, we demonstrated the spin-orbit torque (SOT) magnetization switching of TmIG thin film grown by on-axis radio-frequency magnetron sputtering. Robust and deterministic SOT magnetization switching is achieved using TmIG/Pt heterostructures at a current density as low as \(0.7\times {10}^{11}\,{\rm{A}}/{{\rm{m}}}^{2}\). Anomalous Hall and second harmonic Hall measurements were performed to quantify effective spin-orbit fields. The effective field inducing damping-like torque is estimated to be 21±1 Oe per 107 A/cm2, higher than previous reports. These findings show a growth method for ferrimagnetic insulators with strong PMA in industry-compatible on-axis sputtering methods and its utilization for achieving energy-efficient SOT non-volatile memory applications.

0403電子応用
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