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.
References
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.
L.
Berger
, Phys. Rev. B
54
, 9353
(1996
).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
).© 2016 Author(s).
2016
Author(s)
You do not currently have access to this content.