Novel ultra low-power magnetization switching using electron-orbital control

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K21960
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Ohya Shinobu 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20401143)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Keywords: スピントロニクス / 磁化反転 / トンネル磁気抵抗効果 / 電界効果 / 分子線エピタキシー

Outline of Final Research Achievements

We have successfully achieved in-plane 90-degree magnetization rotation in a perovskite heterostructure of LaSrMnO3/SrTiO3/LaSrMnO3 with a small bias voltage of 15-200 mV and with an extremely small current density of 0.01 A/cm^2, which is around 8 orders of magnitude smaller than that needed for the magnetization reversal using the today's technique.
Also, we have found that the magnetization rotation occurs only by applying a current in a single layer of the epitaxial ferromagnetic semiconductor GaMnAs. By measuring this effect for samples with various thicknesses, we have successfully reversed the magnetization with a current density only of 46,000 A/cm2, which is the smallest current density ever reported for the spin-orbit torque magnetization reversal, when the thickness of the GaMnAs layer was 15 nm.

Free Research Field

スピントロニクス、結晶工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、実際に電子の軌道状態を電圧で制御することにより、磁化スイッチに必要な電圧値を人工的に制御して、超低消費電力磁化スイッチを実現できることを明らかにした。また、従来、スピン軌道トルク磁化反転の研究は、重金属層と強磁性層の２層膜の系で行われてきたが、GaMnAsのように、物質内部に大きなスピン軌道相互作用が存在し、大きなフェルミ面が存在するような物質においては、単膜に電流を流すだけで磁化反転を誘起出来ることを明らかにした。より単純な素子構造で簡単にかつ高効率に磁化反転ができる新たな可能性を示すことができた。