Control of spin-orbit torque by quantum-well effect: a new way to the charge-spin current conversion

Research Project

Project/Area Number	21K14523
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 29010:Applied physical properties-related
Research Institution	National Institutes for Quantum Science and Technology (2022-2023) Tohoku University (2021)
Principal Investigator	DU Ye 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所量子機能創製研究センター, 主任研究員 (70795319)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords	スピン軌道トルク / Spin-orbit torque / Quantum confinement / Spin current / Charge-spin conversion / Rashba-Edelstein effect
Outline of Research at the Start	本研究は、高電気伝導性薄膜におけるスピン軌道トルクの新しい生成と制御方法を提案する。これは、スピンまたは軌道ラシュバ―エデルシュタイン(Rashba-Edelstein)効果による効率的なスピン流の生成、および量子閉じ込め効果によるスピン軌道トルクの強さと符号の制御を可能にする。
Outline of Final Research Achievements	Aiming at the realization of efficient charge-spin current conversion and low-energy consumption in current-induced spin-orbit torque devices, we have studied the current-induced spin-orbit torques in (001)Cu/Co bilayer hetero-structure as a function of Cu layer thickness. As a result, the spin-orbit torque oscillates as a function of Cu thickness, where the oscillation period agrees with the interlayer exchange coupling theory which is interpreted with a quantum confinement model. Our results suggest that the current-induced spin-orbit torque in (001)Cu/Co can be controlled by coherent confinement of electrons in Cu.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究により、磁性金属/非磁性金属ヘテロ構造の量子閉じ込め効果を利用して電流誘起スピン軌道トルクを制御できることが明らかになった。本成果は、電流-スピン流変換に新しい自由度を提供するものであり、今後、本効果による磁化制御の高効率化を図ることでSOT素子の実用化に繋がることが期待できる。