Polarity-Checked Quantification of Spin-Swapping Effects in Magnetic Multilayers = 자기 다층구조에서 스핀 스와핑 효과의 극성 검증 기반 정량 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Spintronics is a research field that aims to go beyond conventional charge-based electronic devices by exploiting the spin of electron. Since magnetism fundamentally originates from the spin of bound electron, spintronics is deeply connected to magnetism and magnetic materials. Although it is wisely known that magnetization responds to external magnetic fields, magnetic-field-based control is difficult to implement in practical devices due to stray field. Consequently, achieving reliable control of magnetization using electric currents is essential for technological applications. Among current-driven approaches, field-free switching has attracted significant attention because of its direct relevance to the memory devices based on conventional binary logic. As the name implies, field-free switching refers to magnetization reversal without external magnetic fields. Realizing such switching requires a symmetry-breaking component, which enables deterministic current-induced control of magnetic states.
One promising candidate for this symmetry-breaking component is the spin swapping effect. The spin swapping effect is a recently proposed mechanism for generating spin currents, where the propagation direction and spin polarization of a spin current are interchanged and a new spin current is generated. Since this effect generates spin polarization perpendicular to that of conventional spin–orbit torque (SOT), it can serve as an effective symmetry-breaking component. As the spin swapping effect is related to electron transport phenomena, we investigated by using magnetic domain walls as a probe.
To observe domain-wall behavior, we employed both polar magneto-optical Kerr effect (p-MOKE) microscopy and laser-based MOKE techniques to visualize the magnetic states of the samples. By combining electromagnets capable of applying magnetic fields along the z and x directions with a current supply, we established an experimental setup suitable for investigating current-induced domain wall motion.
Previous studies of the spin swapping effect were conducted exclusively in samples consisting of two or more magnetic layers, where a spin current generated in one magnetic layer is modified by the spin swapping effect and subsequently injected into another magnetic layer. However, the spin swapping effect can also occur in samples composed of a single magnetic layer. In this work, we successfully observed the self-spin swapping effect experimentally while some metals such as Au enhance the spin swapping effect, whereas the other metals such as Pt act as spin sinks that suppress spin information. Furthermore, the magnitude of the effect is not determined only by material composition but also depends strongly on the sample structure. In symmetric structures, contributions from the top and bottom layer are cancelled out, while one contribution dominates and leads to a substantial net effect in asymmetric structures.
We further extended our investigation from the self-spin swapping effect to the external spin swapping effect. In magnetic multilayer structures, self- and external spin swapping effects can coexist, making their separation essential. We established a parity-based measurement scheme that enables clear discrimination between these two effects and allows their quantitative comparison.
In addition, using an experimental setup capable of probing current-induced motion, we studied the skyrmion Hall effect and current-induced stochasticity. The skyrmion Hall effect is one of the defining characteristics of magnetic skyrmions, which are topological spin textures, and is analogous to other Hall effects in that skyrmions acquire a velocity component transverse to the direction of the applied current. By examining a series of samples with a wide range of magnetic parameters, we experimentally analyzed the skyrmion Hall effect and confirmed the theoretically predicted behavior.
Finally, by repeatedly measuring purely current-induced motion, we investigated the stochastic nature of domain-wall dynamics as a function of velocity. Domain walls are known to exhibit stochastic motion, which is highly undesirable for device applications. To emulate realistic device operation, we examined how domain-wall stochasticity changes under successive current pulses. Our results show that stochasticity decreases sharply at very high velocities, indicating that reliability of domain-wall motion enhances in the high-speed regime.
In this work, we systematically investigated spin swapping effects using domain walls and explored the dynamics of spin textures such as domain walls and skyrmions. Through these studies, we experimentally validated a novel electron-transport mechanism and established measurement methodologies that are expected to be broadly applicable in future research. Ultimately, we anticipate that these findings will contribute to practical spintronic applications and promote the development of next-generation devices.

국문 초록 (Abstract)

스핀트로닉스(spintronics)는 전자의 전하만을 이용하는 기존 전자소자를 넘어, 전자의 스핀을 활용하고자 하는 연구 분야이다. 자성은 근본적으로 결합된 전자들의 스핀에서 기인하므로, 스핀트로닉스는 자성학 및 자성 재료와 깊은 관련을 가진다. 자화는 외부 자기장에 쉽게 반응하는 것으로 잘 알려져 있으나, 자기장을 이용한 제어는 빗나간장(stray field)로 인해 국소적인 제어가 어렵기 때문에 실제 소자에 적용하는 데 한계가 있다. 따라서 전류를 이용하여 자성을 신뢰성 있게 제어하는 기술이 스핀트로닉스 응용에 필수적이다. 전류 구동 방식 중에서도 필드 프리 스위칭(field-free switchin)은 전통적인 이진 논리를 기반으로 한 메모리 소자와 직접적으로 연관되어 있어 큰 관심을 받고 있다. 이름에서 알 수 있듯이, 필드 프리 스위칭은 외부 자기장을 인가하지 않고 순수하게 전류만으로 자화(magetization)를 반전시키는 것을 의미한다. 이러한 스위칭을 구현하기 위해서는 전류에 의해 자화 상태를 결정론적으로 제어할 수 있는 대칭성 붕괴 요소(symmetry-breaking component)가 필요하다.
이러한 대칭성 붕괴 요소의 유력한 후보 중 하나가 스핀 스와핑 현상(spin swapping effect)이다. 스핀 스와핑 현상은 최근 제안된 새로운 스핀 전류 생성 메커니즘으로, 스핀 전류의 전파 방향과 스핀 분극 방향이 서로 뒤바뀌면서 새로운 형태의 스핀 전류가 생성되는 현상이다. 이 효과는 기존의 스핀–궤도 토크(spin–orbit torque, SOT)에 의해 생성되는 스핀 분극과 수직한 방향의 스핀 분극을 유도하므로, 효과적인 대칭성 붕괴 요소로 작용할 수 있다. 스핀 스와핑 현상은 전자의 수송 현상과 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 본 연구에서는 자구벽(domain wall)을 탐침으로 활용하여 이를 조사하였다.
도메인 벽의 거동을 관찰하기 위해, 시료의 자성 상태를 가시화할 수 있는 수직 모크 현미경(polar magneto-optical Kerr effect, p-MOKE)과 레이저 모크 현미경(laser MOKE)을 사용하였다. 또한 z축 및 x축 방향으로 자기장을 인가할 수 있는 전자석과 전류 공급 장치를 결합하여, 전류에 의해 유도되는 자구벽 운동을 연구하기 위한 실험 환경을 구축하였다.
기존의 스핀 스와핑 현상에 대한 연구는 모두 두 개 이상의 자성층으로 이루어진 시료에서 수행되었으며, 한 자성층에서 생성된 스핀 전류가 스핀 스와핑 현상에 의해 변형된 후 다른 자성층에 주는 영향을 관찰하는 방식이었다. 그러나 스핀 스와핑 현상는 단일 자성층으로 구성된 시료에서도 발생할 수 있다. 본 연구에서는 자기 참조 스핀 스와핑 현상(self-spin swapping effect)을 실험적으로 관찰하는 데 성공하였으며, 금(Au)과 같은 금속은 스핀 스와핑 현상을 강화하는 반면, 백금(Pt)과 같은 금속은 스핀 정보를 흡수하는 스핀 싱크(spin sink)로 작용함을 확인하였다. 또한 이 효과의 크기는 물질의 조성뿐만 아니라 시료의 구조에 크게 의존한다는 것을 밝혔다. 대칭적인 구조에서는 상·하부 계면에서 기여하는 효과가 서로 상쇄되는 반면, 비대칭 구조에서는 한쪽 계면의 효과가 지배적으로 작용하여 유의미한 순 효과가 나타난다.
이어서 자기 참조 스핀 스와핑 현상을 확장하여 외부 스핀 스와핑 현상(external spin swapping effect)을 조사하였다. 자성층 다층 구조에서는 자기 참조 스핀 스와핑 현상과 외부 스핀 스와핑 현상이 동시에 존재할 수 있기 때문에, 두 효과를 명확히 구분하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 극성(Parity)에 기반한 측정 방법을 확립하여 두 효과를 명확히 분리하고 정량적으로 비교할 수 있었다.
또한 전류 유도 운동을 관찰할 수 있는 실험 환경을 활용하여 스컬미온 홀 효과(skyrmion Hall effect)와 전류에 의해 유도되는 확률적 거동(stochasticity)을 연구하였다. 스컬미온 홀 효과는 위상적 스핀 텍스처인 스컬미온(skyrmion)의 대표적인 특성 중 하나로, 전류 방향에 수직한 방향으로 속도 성분이 발생하는 현상이다. 다양한 자성 파라미터를 가지는 시료 시리즈를 조사함으로써, 이론적으로 예측된 스컬미온 홀 효과를 실험적으로 분석하고 검증하였다.
마지막으로, 순수하게 전류에 의해 유도된 자구벽 운동을 반복 측정하여, 속도에 따른 자구벽의 확률적 특성을 조사하였다. 자구벽은 기존 연구에서도 지속적으로 확률적인 운동을 보이는 것으로 알려져 있으며, 이는 소자 응용 측면에서 매우 바람직하지 않은 특성이다. 실제 소자 동작 환경을 모사하기 위해, 연속적인 전류 펄스 하에서 자구벽의 확률성이 어떻게 변화하는지를 분석하였다. 그 결과, 매우 높은 속도 영역에서 확률성이 급격히 감소함을 확인하였으며, 이는 고속 구동 환경에서 자구벽 운동의 신뢰성이 향상됨을 의미한다.
본 연구에서는 자구벽을 매개로 스핀 스와핑 현상을 체계적으로 조사하고, 자구벽과 스컬미온으로 대표되는 스핀 텍스처의 동역학을 폭넓게 탐구하였다. 이를 통해 새로운 전자 수송 메커니즘을 실험적으로 검증하고, 향후 연구에 폭넓게 활용될 수 있는 측정 방법론을 확립하였다. 궁극적으로 본 연구의 결과는 실질적인 스핀트로닉스 응용에 기여하고, 차세대 스핀트로닉 소자의 발전을 촉진할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures vii
• List of Tables ix
• 1. Introduction & background 10
• 1.1 Spin texture 11
• 1.2 Current induced motion of spin texture 12
• 1.3 Current efficiency ε 14
• 1.4 Reference 16
• 2. Experimental setup & technique 19
• 2.1 PolarMOKE microscope (p-MOKE) 20
• 2.2 Domain writing techniques 22
• 2.3 Laser MOKE microscope 23
• 2.4 ε measurement process 24
• 3. Observation of structure dependent self-spin swapping effect 26
• 3.1 Introduction 27
• 3.2 Sample fabrication 28
• 3.3 Self-spin swapping effect 29
• 3.4 Conclusion 34
• 3.5 Reference 35
• 4. Parity-based approach to quantify external and self-swapping effect in multilayer system 38
• 4.1 Introduction 39
• 4.2 Sample fabrication 41
• 4.3 Parity of SOT, self- and external spin swapping effect between setups 41
• 4.4 Decomposition SOT, self- and external spin swapping effect 46
• 4.5 Conclusion 48
• 4.6 Reference 49
• 5. Experimental verification of skyrmion Hall effect through Thiele equation 52
• 5.1 Introduction 53
• 5.2 Sample fabrication 53
• 5.3 Analytic relation of θ_SkHe 54
• 5.4 Measurement of magnetic properties(θ_SkHe, K_U and α) 55
• 5.5 Experimental verification of relation 58
• 5.6 Conclusion 59
• 5.7 Reference 61
• 6. Stochasticity Suppression of Domain Wall Motion of Synthetic Antiferromagnets in High-Velocity 63
• 6.1 Introduction 64
• 6.2 Sample fabrication 64
• 6.3 Velocity measurement of domain wall in SAF 66
• 6.4 Tendency of velocity stochasticity 68
• 6.5 Conclusion 71
• 6.6 Reference 72
• 7. Conclusion & future look 73
• References 74
• Author’s Biography 75
• Abstract in Korean (국문 초록) 80