Field-Free Switching of a Spin-Orbit-Torque Device Through Interlayer-Coupling-Induced Domain Walls
자성체는 특유의 비휘발성 덕분에 메모리 소자로 응용이 가능한데, 가장 유명한 예로는 하드 디스크 드라이브(HDD) 이다. HDD는 자성 필름 배열에 위/아래 방향 자화를 기록하는 방식으로 정보를 저장하는데, 디스크가 돌아간다는 실제 물리적 움직임이 있기 때문에 읽고 쓰는 시간이 일정 수준에 다다르면 발전하기 힘들다. 결국 움직이는 부분 없이 원격으로 자화 상태를 읽거나 새로 고쳐 쓰는 것이 가능해야 한다.
자화 상태를 원격으로 읽는 것은 Anomalous Hall effect 나 Tunneling magnetoresistance 등을 이용하면 전기적으로 읽기가 가능하다. 자화 상태를 전기적으로 쓰는 것은 또 다른 일인데, 그 방법 중 하나인 Spin-orbit torque switching (SOT switching) 이 있다. SOT switching 이 일어나기 위해선 자화가 새겨지는 층에 인접하여 스핀을 주입해주는 층이 있어야 하고, 대칭성을 깨뜨려주기 위해 외부 수평자기장이 필요하다. 그러나 자기장은 국소적으로 걸어주기 힘들기 때문에 자기장을 걸어주지 않고도 SOT switching 을 할 수 있다면 좋은 포인트가 된다. 이 논문에선 Domain wall motion (DWM) 을 통해 그러한 SOT switching 을 보였다.
Domain wall (DW) 은 서로 다른 자화상태의 경계면이고, DWM 은 단순히 자기장을 걸어주어도 생기며, 앞서 SOT switching 처럼 전기적으로 컨트롤이 되는 경우가 있다. DW 는 자화의 경계면이므로 단순히 이것이 움직이는 것으로도 switching 을 의미한다.그러나 DW 구조 자체는 준안정한 상태이기 때문에, 가장자리로 밀려나면 사라질 수 있다. DW 이 사라지고 나면 다시 복구하기 위해 큰 에너지가 필요하기 때문에, 소자의 구조도 복잡해지고 여러모로 바람직하지 않다. 이러한 사실 때문에 DW의 움직임을 이용한 switching 은 안정적이지 않으나, 본 논문에선 서로 다른 Coercive field 를 가진 추가적인 ferrimagnet 층을 추가하여 문제 해결 방향을 제시했다. Ferrimagnet 층이 접합된 부분은 RKKY 라는 상호작용에 의해 추가적인 힘을 받기 때문에, 특정 조건을 만족시키면 DW이 쉽사리 사라지지 않는 상태를 만들 수 있게 되고, 이를 이용해 DW 의 위치만 바꾸어 switching 을 할 수 있게 된다.
본 논문은 자화 switching 에 관한 관점으로도 재밌지만, DWM 를 이런 식으로도 응용할 수 있구나 라는 생각을 들게 해서 좋았다. 실제로 자성체에서 전기적 측정을 할 때 일반적이지 않은 시그널이 나오면 Domain 이 생겨서 그랬다고 의심하는 경우가 많은데, 어쩌면 그런 상황에서 반대로 Domain 을 잘 컨트롤 하면 평범하지 않은 결과를 낼 수도 있다고 생각한다.
작성 이택현
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참석자: 박민규, 박재현, 강준호, 김현규, 박지호, 이근희, 송무준, 유무진