We report on the fabrication of nano-contact spin-torque oscillators based on single layers of the epitaxially grown half-metal NiMnSb with ultralow spin wave damping. We demonstrate magnetization auto-oscillations at microwave frequencies in the 1–3 GHz range in out-of-plane magnetic fields. Threshold current densities as low as 3 × 1011 A m−2 are observed as well as minimum oscillation linewidths of 200 kHz, both of which are much lower than the values achieved in conventional metallic spin-valve-based devices of comparable dimensions. These results enable the fabrication of spin transfer torque driven magnonic devices with low current density requirements, improved signal linewidths, and in a simplified single-layer geometry.

1.
S.
Neusser
and
D.
Grundler
,
Adv. Mater.
21
,
2927
(
2009
).
2.
V. V.
Kruglyak
,
S. O.
Demokritov
, and
D.
Grundler
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
264001
(
2010
).
3.
H.
Chang
,
P.
Li
,
W.
Zhang
,
T.
Liu
,
A.
Hoffmann
,
L.
Deng
, and
M.
Wu
,
IEEE Magn. Lett.
5
,
6700104
(
2014
).
4.
J.
Topp
,
D.
Heitmann
,
M. P.
Kostylev
, and
D.
Grundler
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
207205
(
2010
).
5.
H.
Ulrichs
,
B.
Lenk
, and
M.
Münzenberg
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
092506
(
2010
).
6.
Y.
Yin
,
F.
Pan
,
M.
Ahlberg
,
M.
Ranjbar
,
P.
Dürrenfeld
,
A.
Houshang
,
M.
Haidar
,
L.
Bergqvist
,
Y.
Zhai
,
R. K.
Dumas
,
A.
Delin
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. B
92
,
024427
(
2015
).
7.
X.
Liu
,
W.
Zhang
,
M. J.
Carter
, and
G.
Xiao
,
J. Appl. Phys.
110
,
033910
(
2011
).
8.
M.
Oogane
,
T.
Kubota
,
Y.
Kota
,
S.
Mizukami
,
H.
Naganuma
,
A.
Sakuma
, and
Y.
Ando
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
252501
(
2010
).
9.
T.
Sebastian
,
Y.
Kawada
,
B.
Obry
,
T.
Brächer
,
P.
Pirro
,
D. A.
Bozhko
,
A. A.
Serga
,
H.
Naganuma
,
M.
Oogane
,
Y.
Ando
, and
B.
Hillebrands
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
48
,
164015
(
2015
).
10.
R. A.
de Groot
,
F. M.
Mueller
,
P. G. V.
Engen
, and
K. H. J.
Buschow
,
Phys. Rev. Lett.
50
,
2024
(
1983
).
11.
M.
Madami
,
S.
Bonetti
,
G.
Consolo
,
S.
Tacchi
,
G.
Carlotti
,
G.
Gubbiotti
,
F. B.
Mancoff
,
M. A.
Yar
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
635
(
2011
).
12.
J. C.
Slonczewski
,
J. Magn. Magn. Mater.
159
,
L1
(
1996
).
13.
14.
T. J.
Silva
and
W. H.
Rippard
,
J. Magn. Magn. Mater.
320
,
1260
(
2008
).
15.
S.
Sani
,
P.
Dürrenfeld
,
S.
Mohseni
,
S.
Chung
, and
J.
Åkerman
,
IEEE Trans. Magn.
49
,
4331
(
2013
).
16.
M. D.
Stiles
,
J.
Xiao
, and
A.
Zangwill
,
Phys. Rev. B
69
,
054408
(
2004
).
17.
Y.
Ji
,
C. L.
Chien
, and
M. D.
Stiles
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
106601
(
2003
).
18.
B.
Özyilmaz
,
A. D.
Kent
,
J. Z.
Sun
,
M. J.
Rooks
, and
R. H.
Koch
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
176604
(
2004
).
19.
B.
Özyilmaz
and
A. D.
Kent
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
162506
(
2006
).
20.
A.
Konovalenko
,
V.
Korenivski
,
I. K.
Yanson
, and
Y. G.
Naidyuk
,
J. Appl. Phys.
99
,
08G503
(
2006
).
21.
P.
Bach
,
A. S.
Bader
,
C.
Rüster
,
C.
Gould
,
C. R.
Becker
,
G.
Schmidt
,
L. W.
Molenkamp
,
W.
Weigand
,
C.
Kumpf
,
E.
Umbach
,
R.
Urban
,
G.
Woltersdorf
, and
B.
Heinrich
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
521
(
2003
).
22.
B.
Heinrich
,
G.
Woltersdorf
,
R.
Urban
,
O.
Mosendz
,
G.
Schmidt
,
P.
Bach
,
L.
Molenkamp
, and
E.
Rozenberg
,
J. Appl. Phys.
95
,
7462
(
2004
).
23.
A.
Koveshnikov
,
G.
Woltersdorf
,
J. Q.
Liu
,
B.
Kardasz
,
O.
Mosendz
,
B.
Heinrich
,
K. L.
Kavanagh
,
P.
Bach
,
A. S.
Bader
,
C.
Schumacher
,
C.
Rüster
,
C.
Gould
,
G.
Schmidt
,
L. W.
Molenkamp
, and
C.
Kumpf
,
J. Appl. Phys.
97
,
073906
(
2005
).
24.
P.
Dürrenfeld
,
F.
Gerhard
,
J.
Chico
,
R. K.
Dumas
,
M.
Ranjbar
,
A.
Bergman
,
L.
Bergqvist
,
A.
Delin
,
C.
Gould
,
L. W.
Molenkamp
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. B
92
,
214424
(
2015
).
25.
R.
Okura
,
Y.
Sakuraba
,
T.
Seki
,
K.
Izumi
,
M.
Mizuguchi
, and
K.
Takanashi
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
052510
(
2011
).
26.
T.
Seki
,
Y.
Sakuraba
,
H.
Arai
,
M.
Ueda
,
R.
Okura
,
H.
Imamura
, and
K.
Takanashi
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
092406
(
2014
).
27.
T.
Yamamoto
,
T.
Seki
,
T.
Kubota
,
H.
Yako
, and
K.
Takanashi
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
092406
(
2015
).
28.
F.
Gerhard
,
C.
Schumacher
,
C.
Gould
, and
L. W.
Molenkamp
,
J. Appl. Phys.
115
,
094505
(
2014
).
29.
N.
Mecking
,
Y. S.
Gui
, and
C.-M.
Hu
,
Phys. Rev. B
76
,
224430
(
2007
).
30.
T.
Devolder
,
J.-V.
Kim
,
P.
Crozat
,
C.
Chappert
,
M.
Manfrini
,
M.
van Kampen
,
W.
van Roy
,
L.
Lagae
,
G.
Hrkac
, and
T.
Schrefl
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
012507
(
2009
).
31.
M.
Fazlali
,
M.
Dvornik
,
E.
Iacocca
,
P.
Dürrenfeld
,
M.
Haidar
,
J.
Åkerman
, and
R. K.
Dumas
,
Phys. Rev. B
93
,
134427
(
2016
).
32.
K. Y.
Guslienko
,
R.
Hernández Heredero
, and
O.
Chubykalo-Fesenko
,
Phys. Rev. B
82
,
014402
(
2010
).
33.
M.
Manfrini
,
J.-V.
Kim
,
S.
Petit Watelot
,
W.
Van Roy
,
L.
Lagae
,
C.
Chappert
, and
T.
Devolder
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
121
(
2014
).
34.
R.
Moriya
,
L.
Thomas
,
M.
Hayashi
,
Y. B.
Bazaliy
,
C.
Rettner
, and
S. S. P.
Parkin
,
Nat. Phys.
4
,
368
(
2008
).
35.
S.
Kasai
,
P.
Fischer
,
M.-Y.
Im
,
K.
Yamada
,
Y.
Nakatani
,
K.
Kobayashi
,
H.
Kohno
, and
T.
Ono
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
237203
(
2008
).
36.
G.
de Loubens
,
A.
Riegler
,
B.
Pigeau
,
F.
Lochner
,
F.
Boust
,
K. Y.
Guslienko
,
H.
Hurdequint
,
L. W.
Molenkamp
,
G.
Schmidt
,
A. N.
Slavin
,
V. S.
Tiberkevich
,
N.
Vukadinovic
, and
O.
Klein
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
177602
(
2009
).
37.
T.
Yamamoto
,
T.
Seki
,
M.
Kotsugi
, and
K.
Takanashi
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
152402
(
2016
).
38.
Q.
Mistral
,
M.
van Kampen
,
G.
Hrkac
,
J.-V.
Kim
,
T.
Devolder
,
P.
Crozat
,
C.
Chappert
,
L.
Lagae
, and
T.
Schrefl
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
257201
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.