[이대수 교수 연구실] 원자층 격자 제어를 통한 비대칭 SrRuO3 박막의 자유장 SOT 자화 스위칭 연구

​원자층 격자 제어를 통한 비대칭 SrRuO3 박막의 자유장 SOT 자화 스위칭 연구  

논문정보: Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01788, online published)

Caption: 원자층-수준으로 제어된 비대칭 SrRuO3 (a-SrRuO3) 박막의 원자 구조 및 스핀-궤도 토크 자화 스위칭 결과

Caption: Atomic structures and results of spin-orbit torque magnetization switching of atomic-scale controlled asymmetric SrRuO3 (a-SrRuO3) thin film

강자성과 스핀홀 효과를 동시에 갖춘 단일상 소재는 효율적인 스핀-궤도 토크 (SOT) 시스템을 구현할 수 있는 흥미로운 물질군으로 주목받고 있다. 하지만, 물질군의 희소성으로 인해 아직까지 많은 연구가 이루어지지 않았다. 이대수 교수 연구팀은 단일상 강자성/스핀홀 산화물 SrRuO3에서 고효율 자유장 스핀-궤도 토크(SOT) 자화 전환을 성공적으로 구현하였다. 특히, 이 연구 결과는 비대칭 표면 구조 제어와 이로 인한 스핀홀 효과의 불균형을 통해 단일층/자유장 조건에서 최고 효율과 최소 전력 소비를 보였다. 이 연구에서는 SrRuO3의 상층과 하층 표면 층의 국소 구조를 원자층 수준으로 정교하게 제어하여 단일 물질에서 고효율의 SOT를 구현하였다. SrRuO3 벌크의 우수한 준균일 단결정 특성은 유지하는 동시에, 상층과 하층 간의 스핀 홀 효과의 불균형을 유도하여 단일층 강자성 SrRuO3 내에서 알짜 SOT 작용을 가능케 한 것이다.

이번 연구는 '나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호에 게재되었으며 [Nano Lett. (2024) (published online)], 새로운 SOT 메커니즘의 발견과 고효율의 상온 단일상 SOT 소재의 구현 가능성을 제시하였다.

Current-induced spin-orbit torque (SOT) offers substantial promise for the development of low-power, non-volatile magnetic memory. Recently, a single-phase material concurrently exhibiting magnetism and spin Hall effect has emerged as a scientifically and technologically interesting platform for realizing efficient and compact SOT systems. Here, we demonstrate external-magnetic-field-free switching of perpendicular magnetization in a single-phase ferromagnetic and spin Hall oxide SrRuO3. We delicately altered the local lattices of the top and bottom surface layers of SrRuO3, while retaining a quasi-homogeneous, single-crystalline nature of the SrRuO3 bulk. This leads to unbalanced spin Hall effects between the top and bottom layers, enabling net SOT performance within a single-layer ferromagnetic SrRuO3. Notably, our SrRuO3 exhibits the highest SOT efficiency and lowest power consumption among all known single-layer systems under field-free conditions. Our method of artificially manipulating the local atomic structures will pave the way for advances in spin-orbitronics and the exploration of new SOT materials.