We demonstrate highly efficient spin Hall nano-oscillators (SHNOs) based on NiFe/β-W bilayers. Thanks to the very high spin Hall angle of β-W, we achieve more than a 60% reduction in the auto-oscillation threshold current compared to NiFe/Pt bilayers. The structural, electrical, and magnetic properties of the bilayers, as well as the microwave signal generation properties of the SHNOs, have been studied in detail. Our results provide a promising path for the realization of low-current SHNO microwave devices with highly efficient spin-orbit torque from β-W.
References
1.
T.
Chen
, R. K.
Dumas
, A.
Eklund
, P. K.
Muduli
, A.
Houshang
, A. A.
Awad
, P.
Dürrenfeld
, B. G.
Malm
, A.
Rusu
, and J.
Åkerman
, Proc. IEEE
104
, 1919
(2016
).2.
V. E.
Demidov
, S.
Urazhdin
, H.
Ulrichs
, V.
Tiberkevich
, A.
Slavin
, D.
Baither
, G.
Schmitz
, and S. O.
Demokritov
, Nat. Mater.
11
, 1028
(2012
).3.
J. E.
Hirsch
, Phys. Rev. Lett.
83
, 1834
(1999
).4.
S.
Zhang
, Phys. Rev. Lett.
85
, 393
(2000
).5.
Y. K.
Kato
, R. C.
Myers
, A. C.
Gossard
, and D. D.
Awschalom
, Science
306
, 1910
(2004
).6.
J.
Wunderlich
, B.
Kaestner
, J.
Sinova
, and T.
Jungwirth
, Phys. Rev. Lett.
94
, 047204
(2005
).7.
E.
Saitoh
, M.
Ueda
, H.
Miyajima
, and G.
Tatara
, Appl. Phys. Lett.
88
, 182509
(2006
).8.
S. O.
Valenzuela
and M.
Tinkham
, Nature
442
, 176
(2006
).9.
L.
Liu
, T.
Moriyama
, D.
Ralph
, and R.
Buhrman
, Phys. Rev. Lett.
106
, 036601
(2011
).10.
C.-f.
Pai
, L.
Liu
, Y.
Li
, H. W.
Tseng
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Appl. Phys. Lett.
101
, 122404
(2012
).11.
K.-U.
Demasius
, T.
Phung
, W.
Zhang
, B. P.
Hughes
, S.-H.
Yang
, A.
Kellock
, W.
Han
, A.
Pushp
, and S. S. P.
Parkin
, Nat. Commun.
7
, 10644
(2016
).12.
L.
Liu
, C.-F.
Pai
, Y.
Li
, H. W.
Tseng
, D. C.
Ralph
, and R. A.
Buhrman
, Science
336
, 555
(2012
).13.
R. H.
Liu
, W. L.
Lim
, and S.
Urazhdin
, Phys. Rev. Lett.
110
, 147601
(2013
).14.
H.
Ulrichs
, V. E.
Demidov
, S. O.
Demokritov
, W. L.
Lim
, J.
Melander
, N.
Ebrahim-Zadeh
, and S.
Urazhdin
, Appl. Phys. Lett.
102
, 132402
(2013
).15.
V. E.
Demidov
, H.
Ulrichs
, S. V.
Gurevich
, S. O.
Demokritov
, V. S.
Tiberkevich
, A. N.
Slavin
, A.
Zholud
, and S.
Urazhdin
, Nat. Commun.
5
, 3179
(2014
).16.
V. E.
Demidov
, S.
Urazhdin
, A.
Zholud
, A. V.
Sadovnikov
, and S. O.
Demokritov
, Appl. Phys. Lett.
105
, 172410
(2014
).17.
A.
Zholud
and S.
Urazhdin
, Appl. Phys. Lett.
105
, 112404
(2014
).18.
Z.
Duan
, A.
Smith
, L.
Yang
, B.
Youngblood
, J.
Lindner
, V. E.
Demidov
, S. O.
Demokritov
, and I. N.
Krivorotov
, Nat. Commun.
5
, 5616
(2014
).19.
L.
Yang
, R.
Verba
, V.
Tiberkevich
, T.
Schneider
, A.
Smith
, Z.
Duan
, B.
Youngblood
, K.
Lenz
, J.
Lindner
, A. N.
Slavin
, and I. N.
Krivorotov
, Sci. Rep.
5
, 16942
(2015
).20.
A. A.
Awad
, P.
Dürrenfeld
, A.
Houshang
, M.
Dvornik
, E.
Iacocca
, R. K.
Dumas
, and J.
Åkerman
, “Long-range mutual synchronization of spin Hall nano-oscillator
,” Nat. Phys.
(published online 2016
).21.
M.
Collet
, X.
de Milly
, O.
d'Allivy Kelly
, V. V.
Naletov
, R.
Bernard
, P.
Bortolotti
, J.
Ben Youssef
, V. E.
Demidov
, S. O.
Demokritov
, J. L.
Prieto
, M.
Muñoz
, V.
Cros
, A.
Anane
, G.
de Loubens
, and O.
Klein
, Nat. Commun.
7
, 10377
(2016
).22.
A.
Hamadeh
, O.
d'Allivy Kelly
, C.
Hahn
, H.
Meley
, R.
Bernard
, A. H.
Molpeceres
, V. V.
Naletov
, M.
Viret
, A.
Anane
, V.
Cros
, S. O.
Demokritov
, J. L.
Prieto
, M.
Muñoz
, G.
de Loubens
, and O.
Klein
, Phys. Rev. Lett.
113
, 197203
(2014
).23.
M.
Ranjbar
, P.
Durrenfeld
, M.
Haidar
, E.
Iacocca
, M.
Balinskiy
, T. Q.
Le
, M.
Fazlali
, A.
Houshang
, A. A.
Awad
, R. K.
Dumas
, and J.
Akerman
, IEEE Magn. Lett.
5
, 3000504
(2014
).24.
Y.
Niimi
, M.
Morota
, D. H.
Wei
, C.
Deranlot
, M.
Basletic
, A.
Hamzic
, A.
Fert
, and Y.
Otani
, Phys. Rev. Lett.
106
, 126601
(2011
).25.
M.
Yamanouchi
, L.
Chen
, J.
Kim
, M.
Hayashi
, H.
Sato
, S.
Fukami
, S.
Ikeda
, F.
Matsukura
, and H.
Ohno
, Appl. Phys. Lett.
102
, 212408
(2013
).26.
Y.
Niimi
, Y.
Kawanishi
, D. H.
Wei
, C.
Deranlot
, H. X.
Yang
, M.
Chshiev
, T.
Valet
, A.
Fert
, and Y.
Otani
, Phys. Rev. Lett.
109
, 156602
(2012
).27.
Q.
Hao
, W.
Chen
, and G.
Xiao
, Appl. Phys. Lett.
106
, 182403
(2015
).28.
E.
Lassner
and W. D.
Schubert
, Tungsten: Properties, Chemistry, Technology of the Element, Alloys, and Chemical Compounds
(Springer
US
, 2012
).29.
J.
Sankey
, P.
Braganca
, A.
Garcia
, I.
Krivorotov
, R.
Buhrman
, and D.
Ralph
, Phys. Rev. Lett.
96
, 227601
(2006
).30.
J. C.
Sankey
, Y.-T.
Cui
, J. Z.
Sun
, J. C.
Slonczewski
, R. a.
Buhrman
, and D. C.
Ralph
, Nat. Phys.
4
, 67
(2007
).31.
W.
Chen
, G.
de Loubens
, J.-M. L.
Beaujour
, J. Z.
Sun
, and A. D.
Kent
, Appl. Phys. Lett.
95
, 172513
(2009
).32.
X.
Cheng
, J. A.
Katine
, G. E.
Rowlands
, and I. N.
Krivorotov
, Appl. Phys. Lett.
103
, 082402
(2013
).33.
C.
Kittel
, “On the theory of ferromagnetic resonance absorption
,” Phys. Rev.
73
, 155
(1948
).34.
K.
Ando
, S.
Takahashi
, K.
Harii
, K.
Sasage
, J.
Ieda
, S.
Maekawa
, and E.
Saitoh
, Phys. Rev. Lett.
101
, 036601
(2008
).35.
A.
Giordano
, M.
Carpentieri
, A.
Laudani
, G.
Gubbiotti
, B.
Azzerboni
, and G.
Finocchio
, Appl. Phys. Lett.
105
, 042412
(2014
).36.
H.
Ulrichs
, V. E.
Demidov
, and S. O.
Demokritov
, Appl. Phys. Lett.
104
, 042407
(2014
).37.
V.
Tiberkevich
, A.
Slavin
, and J.-V.
Kim
, Appl. Phys. Lett.
91
, 192506
(2007
).38.
A.
Slavin
and V.
Tiberkevich
, IEEE Trans. Magn.
45
, 1875
(2009
).© 2016 Author(s).
2016
Author(s)
You do not currently have access to this content.