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Spin-orbit torque switching of a ferromagnet with picosecond electrical pulses

본 논문은 femtosecond laser 와 Low-temperature(LT) GaAs 광스위치(photoswitch) 를 이용한 피코초(ps) 펄스 에 의해 Pt/Co 수직자기이방성 샘플의 스핀-궤도 토크 스위칭 현상(Spin-orbit torque switching) 을 관찰한 논문으로 2020년 11월 Nature electronics 에 게재되었다. LT-GaAs 는 빛을 받으면 수 피코초(ps) 수준의 시간 동안 전류 채널(current channel)이 열리는데 이러한 성질을 활용하여 아래와 같은 coplanar waveguide(CPW) 를 타고 흐르는 피코초 펄스를 생성해 내었다.

생성된 피코초 펄스 폭은 6ps 으로 50V 수준의 바이어스 전압이 가해진 상태에서 광스위치에 femtosecond laser 를 쏘아 만들어졌으며 해당 펄스 형태는 Teraspike 사에서 제작한 피코초 펄스 혹은 테라헤르츠(THz) 신호 측정 전용 팁을 사용하여 측정되었다. 스위칭 현상을 관찰하기 위해 Ta(5)/Pt(4)/Co(1)/Cu(1)/Ta(4)/Pt(1) unit in nm 구조의 수직자기이방성을 가진 샘플이 사용되었다. Cu(1) 은 Ta(4) 에서 전송되는 스핀 전류(spin current) 가 잘 전달되는 동시에 DMI 에 의한 영향을 제거하기 위해 사용되었다. Co(1) 을 기준으로 위 아래 층의 Pt(4) 와 Ta(4) 는 서로 스핀홀각도(spin Hall angle) 부호가 반대여서 Co(1) 에 같은 스핀 전류가 인가되도록 고려된 구조이다. 스위칭 현상이 스핀-궤도 토크에 의존적인지 확인하기 위해 아래와 같이 x 축 방향으로 외부 자기장을 인가하여 실험을 진행하였으며 자기장의 부호, 바이어스 전압의 부호 등을 바꿔가며 측정되었다.

해당 이미지는 자기광 커 효과(Magneto-optic Kerr effect, 모크) 현미경으로 관찰하였다. 외부 자기장 방향과 바이어스 전압, 즉 펄스 인가 방향에 따라 스위칭 현상의 발현 여부가 관찰되는 것을 보아 스핀-궤도 토크에 의존적인 스위칭 현상이 발생하고 있음을 알 수 있다.

이러한 현상의 기작을 분석하고자 실시간 브릴루앙 광산란(Brillouin light scattering) 측정을 시도하였다. 그 결과 펄스가 인가된 후 4ps 동안은 damping-like 스핀-궤도 토크의 영향이 지배적으로 작용하며 이후 샘플의 온도가 올라가면서 수직자기이방성 약화로 인한 유효 자기장 감소 효과의 발생 및 이로 인한 세차 운동 토크가 자화 운동에 지배적으로 작용함을 추측할 수 있었다. 후자는 열적 이방성 토크(thermal anisotropy torque) 라 불리며 테라헤르츠 측정 실험 등에서 흔히 사용되는 개념으로 알려져있다.

스위칭 현상을 관찰하기 위해 사용된 펄스의 시간폭이 수 피코초로 매우 짧기 때문에 스위칭 현상이 단순히 자구벽 확장 현상 이론으로 이해하기엔 다소 무리가 있다(샘플 길이 4μm, 자구벽 확장 속도 ~10⁵m/s). 이에 저자가 가장 유력한 설명으로 제시한 가설은 피코초 펄스가 인가되는 동안 1.5 마이크로미터 (μm) 분해능을 가진 모크 현미경으로 관찰하기 어려울 만큼 짧은 간격의 다중 nucleation 이 발생한 것이다.

본 연구는 피코초 전류 펄스 생성과 그 측정을 처음 정량적으로 분석할 수 있었다는 데 의의가 있으며 이를 활용해 자성체 스위칭 현상을 관찰할 수 있었고 이후 피코초 스케일의 자화 운동 분석에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.

작성 박재현
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참석자: 박민규, 원운재, 강준호, 이택현, 김현규, 박지호, 이근희, 유무진, 송무준, 양지석, 지유빈, 고산

DOI:
https://doi.org/10.1038/s41928-020-00488-3