Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin–orbit torque

凝聚态物理 交换偏差 反铁磁性 磁化 物理 铁磁性 双层 自旋电子学 材料科学 磁电阻 磁各向异性 磁场 化学 生物化学 量子力学
作者
Shouzhong Peng,Daoqian Zhu,Weixiang Li,Hao Wu,Alexander J. Grutter,Dustin A. Gilbert,Jiaqi Lu,Danrong Xiong,Wenlong Cai,Padraic Shafer,Kang L. Wang,Weisheng Zhao
出处
期刊:Nature electronics [Nature Portfolio]
卷期号:3 (12): 757-764 被引量:149
标识
DOI:10.1038/s41928-020-00504-6
摘要

The electrical manipulation of magnetization and exchange bias in antiferromagnet/ferromagnet thin films could be of use in the development of the next generation of spintronic devices. Current-controlled magnetization switching can be driven by spin–orbit torques generated in an adjacent heavy-metal layer, but these structures are difficult to integrate with exchange bias switching and tunnelling magnetoresistance measurements. Here, we report the current-induced switching of the exchange bias field in a perpendicularly magnetized IrMn/CoFeB bilayer structure using a spin–orbit torque generated in the antiferromagnetic IrMn layer. By manipulating the current direction and amplitude, independent and repeatable switching of the magnetization and exchange bias field below the blocking temperature can be achieved. The critical current density for the exchange bias switching is found to be larger than that for CoFeB magnetization reversal. X-ray magnetic circular dichroism, polarized neutron reflectometry measurements and micromagnetic simulations show that a small net magnetization within the IrMn interface plays a crucial role in these phenomena. The magnetization and exchange bias field in an IrMn/CoFeB bilayer can be independently switched using a current-controlled spin–orbit torque generated in the antiferromagnetic IrMn layer.
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