酸素原子のわずかな「ズレ」で磁石を反転~強磁性ワイル酸化物「単層」における高効率磁化反転で低消費電力磁気メモリへ道を拓く~

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2025-05-14 東京大学

酸素原子のわずかな「ズレ」で磁石を反転~強磁性ワイル酸化物「単層」における高効率磁化反転で低消費電力磁気メモリへ道を拓く~

東京大学大学院工学系研究科とNTT、日本原子力研究開発機構、北海道大学、熊本大学の共同研究チームは、強磁性ワイル酸化物「SrRuO₃(SRO)」の単層薄膜において、電流のみで磁化の向きを反転させることに成功しました。この現象は、SRO薄膜内の酸素原子のわずかな「ズレ」により、スピン軌道トルク(SOT)が増強されることで実現され、従来の10分の1の電流密度(3.1×10⁶ A/cm²)での磁化反転を可能にしました。この成果は、低消費電力で動作する次世代スピントロニクスデバイス、特にSOT-MRAMの開発に貢献することが期待されます。

<関連情報>

ウェイル酸化物における微小な自発的原子変位によって生じるスピンベリー曲率による単層スピン-軌道-トルク磁化スイッチング Single-Layer Spin-Orbit-Torque Magnetization Switching Due to Spin Berry Curvature Generated by Minute Spontaneous Atomic Displacement in a Weyl Oxide

Hiroto Horiuchi, Yasufumi Araki, Yuki K. Wakabayashi, Jun’ichi Ieda, Michihiko Yamanouchi, Yukio Sato, Shingo Kaneta-Takada, Yoshitaka Taniyasu, Hideki Yamamoto …
Advanced Materials  Published: 24 April 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202416091

Abstract

Spin Berry curvature characterizes the band topology as the spin counterpart of Berry curvature and is crucial in generating novel spintronics functionalities. By breaking the crystalline inversion symmetry, the spin Berry curvature is expected to be significantly enhanced; this enhancement will increase the intrinsic spin Hall effect in ferromagnetic materials and, thus, the spin–orbit torques (SOTs). However, this intriguing approach is not applied to devices; generally, the spin Hall effect in ferromagnet/heavy-metal bilayer is used for SOT magnetization switching. Here, SOT-induced partial magnetization switching is demonstrated in a single layer of a single-crystalline Weyl oxide SrRuO3 (SRO) with a small current density of ≈3.1 × 106 A cm−2. Detailed analysis of the crystal structure in the seemingly perfect periodic lattice of the SRO film reveals barely discernible oxygen octahedral rotations with angles of ≈5° near the interface with a substrate. Tight-binding calculations indicate that a large spin Hall conductivity is induced around small gaps generated at band crossings by the synergy of inherent spin‒orbit coupling and band inversion due to the rotations, causing magnetization reversal. The results indicate that a minute atomic displacement in single-crystal films can induce strong intrinsic SOTs that are useful for spin-orbitronics devices.

0403電子応用
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