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Spin-orbitronics in ferromagnets and antiferromagnets

English title Spin-orbitronics in ferromagnets and antiferromagnets
Applicant Gambardella Pietro
Number 172775
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.06.2017 - 31.05.2021
Approved amount 1'084'210.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Material Sciences

Keywords (4)

Magnetism; Spintronics; spin-orbit coupling; magnetic random access memory

Lay Summary (German)

Lead
Moderne Computertechnologie basiert auf der Fähigkeit, digitale Information möglichst effizient zu schreiben, speichern und abzurufen. Nicht-flüchtige digitale Speicher verwenden die Richtung der Magnetisierung als Informationsträger. Dieses Projekt untersucht sowohl neuartige Materialien und Methoden, um schnelles und energieeffizientes Schalten von nichtflüchtigen magnetischen Speichern zu erreichen, als auch neuartige Magnetowiderstände, die das Auslesen der Magnetisierung in elektrischen Strukturen erlauben.
Lay summary

Unser Hauptziel ist das Ergründen und Verstehen von spintronischen und Spin-Bahn-Effekten in Dünnfilmen, die die Umwandlung eines elektrischen Stromes in einen Spinstrom erlauben. Wir haben in diesem Zusammenhang kürzlich zeigen können, dass solch eine Umwandlung zu einer stromgesteuerten Magnetisierungsumkehr in einer umfangreichen Klasse von zwei- und dreipoligen Strukturen führt. Darauf aufbauend wollen wir diesen Prozess schneller und effizienter gestalten, indem neue Materialklassen untersucht werden, bei denen die Spin-Bahn-Wechselwirkung besonders stark ist. Dazu zählen Schwermetalle, topologische Isolatoren und Antiferromagneten. Darüber hinaus planen wir für diese Systeme die Untersuchung des kürzlich entdeckten unidirektionalen Magnetowiderstands, bei dem der elektrische Widerstand auf ungewöhnliche Weise von der Ausrichtung der Magnetisierung abhängt. Um diese Ziele zu erreichen, werden wir eine Kombination von optischen, Röntgen- und Magnetotransportmethoden entwickeln, die uns einen beispiellosen Einblick in die Umwandlung von Ladung und Spin sowie in das ultraschnelle Schalten der Magnetisierung erlaubt.

Die Ergebnisse dieses Projektes werden von direktem Interesse für das Design von elektrisch ansteuerbaren nichtflüchtigen magnetischen Speichern sein, insbesondere im Hinblick auf schnelles Schaltvermögen und geringen Energieverbrauch. Weiterhin sind sie unmittelbar relevant für die Realisierung neuartiger Anordnungen zum Auslesen der Magnetisierung mittels Magnetowiderstand.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 31.05.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
153404 Investigation of current-induced torques in spin-orbit coupled materials 01.06.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Spin-based electronics underlies modern technologies of magnetic storage and sensing. The iconic discoveries of giant magnetoresistance and spin-transfer torques have expanded the means available to sense and manipulate the magnetization of ferromagnets, leading, among other things, to the implementation of all-electrical magnetic memories integrated with semiconductor electronics. In recent years, fundamental advances in the understanding of relativistic interactions that link the electron’s spin and orbital degrees of freedom have opened tremendous opportunities to enhance the functionality and operation of spintronic devices. The ability to reversibly separate and generate spin currents from charge currents, to harvest orbital angular momentum to induce magnetization reversal, and to employ antiferromagnets as well as magnetic insulators as active spintronic media is deeply transforming our conception of magnetism.The goals of this proposal are two-fold: (1) to explore new materials and concepts that enable efficient charge-spin conversion and manipulation of magnetization dynamics in systems with robust ferromagnetic and antiferromagnetic properties, (2) to achieve a consistent description of current-induced spin accumulation, spin torques, and magnetoresistance in single-layer and bilayer conductors characterized by strong spin-orbit coupling. Specifically, we propose strategies to achieve rapid and efficient spin-orbit torque magnetization switching in ferromagnetic and antiferromagnetic layers suitable for integration into large-scale memory architectures, and to investigate and optimize the nanoscale magnetization reversal process in the time domain. With the same aim, we propose to study novel material combinations including topological insulator systems, which display the largest charge-spin conversion ratio reported to date, to assess their potential for magnetization switching of ferromagnetic metals. Finally, we plan to combine optical, x-ray, and magnetotransport measurements to achieve a unified picture of current-induced spin accumulation phenomena, spin-orbit torques, and magnetoresistive effects in single-layer and bilayer epitaxial films of relevance for applications in spintronics. Overall, this project will impact the ability to design materials and devices with unprecedented control over the spin degrees of freedom and contribute to the fundamental understanding of charge and spin transport in magnetic and nonmagnetic systems.
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