Ultrathin magnetic tunneling structures implicate fundamental interlayer exchange coupling between magnetic layers. Here, we describe its important role in the spin-reorientation transition of weakly coupled perpendicular ultrathin Ta/Co-Fe-B/MgO/Co-Fe-B/Ta heterostructures. Near the spin-reorientation, the domain structure is quite sensitive to weak interlayer exchange coupling. Antiferromagnetic coupling stabilizes homogeneous perpendicular magnetization at the remanence, whereas ferromagnetic coupling favors in-/out-of-plane stripe domains. Close to the spin-reorientation transition, even the subtle changes of interlayer exchange coupling can lead to reversible switching between stable in- and out-of-plane states. Our results suggest that this multi-stability caused by the interplay of perpendicular anisotropy and weak interlayer coupling can be utilized in perpendicular spin torque devices operating under reduced spin currents.

1.
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
K.
Yakushiji
,
T.
Nagahama
,
S.
Yuasa
,
K.
Ando
,
H.
Maehara
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
,
N.
Watanabe
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Phys.
4
,
37
(
2008
).
2.
T.
Nozaki
,
Y.
Shiota
,
S.
Miwa
,
S.
Murakami
,
F.
Bonell
,
S.
Ishibashi
,
H.
Kubota
,
K.
Yakushiji
,
T.
Saruya
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
,
T.
Shinjo
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Phys.
8
,
491
(
2012
).
3.
A.
Brataas
,
A. D.
Kent
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
11
,
372
(
2012
).
4.
G. E. W.
Bauer
,
E.
Saitoh
, and
B. J.
van Wees
,
Nat. Mater.
11
,
391
(
2012
).
5.
S. S. P.
Parkin
,
C.
Kaiser
,
A.
Panchula
,
P. M.
Rice
,
B.
Hughes
,
M.
Samant
, and
S.-H.
Yang
,
Nat. Mater.
3
,
862
(
2004
);
[PubMed]
S.
Yuasa
,
T.
Nagahama
,
A.
Fukushima
,
Y.
Suzuki
, and
K.
Ando
,
Nat. Mater.
3
,
868
(
2004
).
[PubMed]
6.
A. A.
Tulapurkar
,
Y.
Suzuki
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
H.
Maehara
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
,
N.
Watanabe
, and
S.
Yuasa
,
Nature
438
,
339
(
2005
).
7.
J.
Faure-Vincent
,
K.
Tiusan
,
C.
Bellouard
,
E.
Popova
,
M.
Hehn
,
F.
Montaigne
, and
A.
Schuhl
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
107206
(
2002
).
8.
R. R.
Gareev
,
D. E.
Buergler
,
M.
Buchmeier
,
R.
Schreiber
, and
P.
Gruenberg
,
J. Magn. Magn. Mater.
240
,
235
(
2002
).
9.
J. C.
Slonczewski
,
Phys. Rev. B
39
,
6995
(
1989
).
10.
R. R.
Gareev
,
M.
Schmid
,
J.
Vancea
,
R.
Schreiber
,
C. H.
Back
,
D.
Bürgler
,
C. M.
Schneider
,
F.
Stromberg
, and
H.
Wende
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
022406
(
2012
).
11.
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
H.
Yamamoto
,
K.
Mizunuma
,
H. D.
Gan
,
M.
Endo
,
S.
Kanai
,
J.
Hayakawa
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
9
,
721
(
2010
);
[PubMed]
S.
Ikeda
,
H.
Sato
,
H.
Yamanouchi
,
H.
Gan
,
K.
Miura
,
K.
Mizunuma
,
S.
Kanai
,
S.
Fukami
,
F.
Matsukura
,
N.
Kasai
, and
H.
Ohno
,
SPIN
2
,
1240003
(
2012
).
12.
T.
Maruyama
,
Y.
Shiota
,
T.
Nozaki
,
K.
Ohta
,
N.
Toda
,
M.
Mizuguchi
,
A. A.
Tulapurkar
,
T.
Shinjo
,
M.
Shiraishi
,
S.
Mizukami
,
Y.
Ando
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
158
(
2009
).
13.
X.
Jia
,
K.
Liu
,
K.
Xia
, and
G. E. W.
Bauer
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
176603
(
2011
).
14.
S.
Fukami
,
T.
Suzuki
,
Y.
Nakatani
,
N.
Ishiwata
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Ikeda
,
N.
Kasai
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
082504
(
2011
).
15.
M.
Ranjbar
,
R.
Sbiaa
,
R. K.
Dumas
,
J.
Åkerman
, and
S. N.
Piramanayagam
,
J. Appl. Phys.
115
,
17C103
(
2014
).
16.
J. E.
Davies
,
D. A.
Gilbert
,
S. M.
Mohseni
,
R. K.
Dumas
,
J.
Åkerman
, and
K.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
022409
(
2013
).
17.
A.
Fernández-Pacheco
,
F. C.
Ummelen
,
R.
Mansell
,
D.
Petit
,
J. H.
Lee
,
H. J. M.
Swagten
, and
R. P.
Cowburn
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
092408
(
2014
).
18.
N. A.
Pertsev
and
H.
Kohlstedt
,
Adv. Funct. Mater.
22
,
4696
(
2012
);
N. A.
Pertsev
,
Sci. Rep.
3
,
2757
(
2013
).
[PubMed]
19.
J. C.
Leutenantsmeyer
,
M.
Walter
,
V.
Zbarsky
,
M.
Münzenberg
,
R.
Gareev
,
K.
Rott
,
A.
Thomas
,
G.
Reiss
,
P.
Peretzki
,
H.
Schuhmann
,
M.
Seibt
,
M.
Czerner
, and
C.
Heiliger
,
SPIN
3
,
1350002
(
2013
).
20.
M.
Walter
,
J.
Walowski
,
V.
Zbarsky
,
M.
Münzenberg
,
M.
Schäfers
,
D.
Ebke
,
G.
Reiss
,
A.
Thomas
,
P.
Peretzki
,
M.
Seibt
,
J. S.
Moodera
,
M.
Czerner
,
M.
Bachmann
, and
C.
Heiliger
,
Nat. Mater.
10
,
742
(
2011
).
21.
M.
Yamanouchi
,
A.
Jander
,
P.
Dhagat
,
S.
Ikeda
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
IEEE Magn. Lett.
2
,
3000304
(
2011
).
22.
O.
Hellwig
,
A.
Berger
,
J. B.
Kortright
, and
E. E.
Fullerton
,
J. Magn. Magn. Mater.
319
,
13
(
2007
).
23.
D.
Backes
,
D.
Bedau
,
H.
Liu
,
J.
Langer
, and
A. D.
Kent
,
J. Appl. Phys.
111
,
07C721
(
2012
).
24.
C.
Kittel
,
Rev. Mod. Phys.
21
,
541
(
1949
).
25.
A.
Layadi
,
Phys. Rev. B
72
,
024444
(
2005
).
You do not currently have access to this content.