Current-Nonlinear Hall Effect and Spin-Orbit Torque Magnetization Switching in a Magnetic Topological Insulator

凝聚态物理 拓扑绝缘体 磁化 物理 自旋霍尔效应 扭矩 非线性系统 绝缘体(电) 磁场 量子力学 自旋极化 电子 光电子学
作者
Kenji Yasuda,Atsushi Tsukazaki,Ryutaro Yoshimi,Kouta Kondou,Keisuke Takahashi,Y. Otani,M. Kawasaki,Yoshinori Tokura
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:119 (13) 被引量:151
标识
DOI:10.1103/physrevlett.119.137204
摘要

Precise estimation of spin Hall angle as well as successful maximization of spin-orbit torque (SOT) form a basis of electronic control of magnetic properties with spintronic functionality. Until now, current-nonlinear Hall effect, or second harmonic Hall voltage has been utilized as one of the methods for estimating spin Hall angle, which is attributed to the magnetization oscillation by SOT. Here, we argue the second harmonic Hall voltage in magnetic/nonmagnetic topological insulator (TI) heterostructures, Cr$_x$(Bi$_{1-y}$Sb$_y$)$_{2-x}$Te$_3$/(Bi$_{1-y}$Sb$_y$)$_2$Te$_3$. From the angular, temperature and magnetic field dependence, it is unambiguously shown that the large second harmonic Hall voltage in TI heterostructures is governed not by SOT but mainly by asymmetric magnon scattering mechanism without magnetization oscillation. Thus, this method does not allow an accurate estimation of spin Hall angle when magnons largely contribute to electron scattering. Instead, the SOT contribution in a TI heterostructure is exemplified by current pulse induced non-volatile magnetization switching, which is realized with a current density of $\sim 2.5 \times 10^{10} \mathrm{A/m}^2$, showing its potential as spintronic materials.
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