Ru/IrMn Interfacial Orbital-to-Spin Conversion for Antiferromagnetic Switching in Magnetic Tunnel Junctions

反铁磁性 凝聚态物理 材料科学 自旋(空气动力学) 隧道磁电阻 隧道枢纽 铁磁性 物理 量子隧道 热力学
作者
Yue Bai,Wenlong Cai,Zanhong Chen,Daoqian Zhu,Shiyang Lu,Jiaxu Li,Ao Du,Kaihua Cao,Guang Yang,Hongxi Liu,Kewen Shi,Weisheng Zhao
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (41): 14843-14849
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c03188
摘要

Current-induced antiferromagnetic (AFM) switching is critical for advancing spintronic technologies and expanding their functional landscape. Recently, the orbital Hall effect (OHE) has emerged as a promising mechanism for efficient control of AFM orders, though experimental validation has remained elusive. In this work, we successfully demonstrate efficient orbital-to-spin conversion in Ru/IrMn heterostructure, which enables significant enhancement of both OHE-induced damping-like and field-like torque efficiencies of 0.86 × 105 Ω-1m-1 and 3.01 × 105 Ω-1m-1, respectively. We further investigate the underlying orbital and spin diffusion behavior, revealing a rapid and efficient interfacial conversion mechanism. Additionally, we achieve complete, field-free OHE-induced AFM switching in 80 nm Ru/IrMn-based exchange-bias magnetic tunnel junctions (EB-MTJs), with an ultrafast 0.2 ns write speed and low energy consumption. These results establish a viable route for orbitronic manipulation of AFMs and offer a promising approach for ultrafast, low-power, and scalable spintronic devices.
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