Ultrafast and energy-efficient spin–orbit torque switching in compensated ferrimagnets

铁磁性 自旋电子学 磁化 凝聚态物理 磁化动力学 铁磁性 扭矩 反平行(数学) 物理 自旋(空气动力学) 材料科学 量子力学 热力学 磁场
作者
Kaiming Cai,Zhifeng Zhu,Jong Min Lee,Rahul Mishra,Lizhu Ren,Shawn Pollard,Pan He,Gengchiau Liang,K. L. Teo,Hyunsoo Yang
出处
期刊:Nature electronics [Nature Portfolio]
卷期号:3 (1): 37-42 被引量:193
标识
DOI:10.1038/s41928-019-0345-8
摘要

Spin–orbit torque can be used to manipulate magnetization in spintronic devices. However, conventional ferromagnetic spin–orbit torque systems have intrinsic limitations in terms of operation speed due to their inherent magnetization dynamics. Antiferromagnets and ferrimagnets with antiparallel exchange coupling exhibit faster spin dynamics and could potentially overcome these limitations. Here, we report ultrafast spin–orbit torque-induced magnetization switching in ferrimagnetic cobalt-gadolinium (CoGd) alloy devices. Using a stroboscopic pump–probe technique to perform time-resolved measurements, we show that the switching time in the ferrimagnets can be reduced to the subnanosecond regime and a domain wall velocity of 5.7 km s‒1 can be achieved, which is in agreement with analytical modelling and atomistic spin simulations. We also find that the switching energy efficiency in the ferrimagnets is one to two orders of magnitude higher than that of ferromagnets. Time-resolved measurements show that current-induced magnetization switching in ferrimagnetic devices is faster and more energy-efficient than in ferromagnet devices.

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