Orbital Hall Magnetoresistance in Cr/CoFeB Structures

Abstract

Spin-orbitronics devices based on spin Hall effect is a strong candidate for new generation memory devices. To realize this device the bilayer structure composed of a ferromagnet and a heavy metal layer should show sizable spin-orbit torque to manipulate magnetization of the devices. In this study, we investigate orbital transport in Cr-based heterostructures, because Cr has sizable orbital Hall angle and good conductivity. We found that orbital Hall magnetoresistance shows strong Cr-thickness dependence with the obtained diffusion length ~3 nm. Through a comparative experiment with the Cr/Pt/CoFeB structure in which the Pt layer was inserted, the orbital-spin conversion phenomenon by spin-orbit coupling can be understood. This study provides important information about orbital-related transport phenomenon in the Cr layer.

스핀 홀 효과에 기반한 스핀-오빗트로닉스 장치는 유망한 차세대 메모리 후보이다. 이를 위해서는 강자성체와 중금속 층으로 구성된 이중층 구조에서는 장치의 자화를 제어하기 위해 상당한 크기의 스핀 궤도 토크를 가져야만 한다. 본 연구에서는 상당한 오비탈 홀 각도와 우수한 전도성을 가진 Cr 기반 이종 구조에서 오비탈 홀 자기저항(orbital Hall magnetoresistance, OMR)을 측정함으로써 오비탈 수송 특성을 살펴보았다. Cr/CoFeB 구조에서 OM R의 Cr 층 두께 의존성을 관측하였다. Pt 층을 삽입한 Cr/Pt/CoFeB 구조와의 비교 실험을 통해 스핀-궤도 결합에 의한 오비탈-스핀 전환현상을 이해해보았다. 본 연구는 오비탈 전류에 대한 전도 현상을 이해하는데 도움이 될 것이다.