We report fast and efficient current-induced switching of a perpendicular anisotropy magnetic insulator thulium iron garnet by using spin-orbit torques (SOT) from the Pt overlayer. We first show that, with quasi-DC (10 ms) current pulses, SOT-induced switching can be achieved with an external field as low as 2 Oe, making TmIG an outstanding candidate to realize efficient switching in heterostructures that produce moderate stray fields without requiring an external field. We then demonstrate deterministic switching with fast current pulses (≤20 ns) with an amplitude of ∼1012 A/m2, similar to all-metallic structures. We reveal that, in the presence of an initially nucleated domain, the critical switching current is reduced by up to a factor of five with respect to the fully saturated initial state, implying efficient current-driven domain wall motion in this system. Based on measurements with 2 ns-long pulses, we estimate the domain wall velocity of the order of ∼400 m/s per j = 1012 A/m2.

1.
C.
Chappert
,
A.
Fert
, and
F. N.
Van Dau
,
Nat. Mater.
6
,
813
(
2007
).
2.
J.-E.
Wegrowe
,
D.
Kelly
,
Y.
Jaccard
,
P.
Guittienne
, and
J.-P.
Ansermet
,
Eur. Lett.
45
(
5
),
626
(
1999
).
3.
M.
Tsoi
,
A. G. M.
Jansen
,
J.
Bass
,
W.
Chiang
,
M.
Seck
,
V.
Tsoi
, and
P.
Wyder
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
4281
(
1998
).
4.
J.
Grollier
,
V.
Cros
,
A.
Hamzic
,
J.-M.
George
,
H.
Jaffres
,
A.
Fert
,
G.
Faini
,
J.
Ben Youssef
, and
H.
Legall
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
3663
(
2001
).
5.
S.
Mangin
,
D.
Ravelosona
,
J. A.
Katine
,
M. J.
Carey
,
B. D.
Terris
, and
E. E.
Fullerton
,
Nat. Mater.
5
,
210
(
2006
).
6.
J. A.
Katine
and
E. E.
Fullerton
,
J. Magn. Magn. Mater.
320
,
1217
(
2008
).
7.
P.
Gambardella
and
I. M.
Miron
,
Philos. Trans. R. Soc. A
369
,
3175
(
2011
).
8.
I. M.
Miron
,
K.
Garello
,
G.
Gaudin
,
P.-J.
Zermatten
,
M. V.
Costache
,
S.
Auffret
,
S.
Bandiera
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
, and
P.
Gambardella
,
Nature
476
,
189
(
2011
).
9.
K.
Garello
,
I. M.
Miron
,
C. O.
Avci
,
F.
Freimuth
,
Y.
Mokrousov
,
S.
Blügel
,
S.
Auffret
,
O.
Boulle
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
587
(
2013
).
10.
L.
Liu
,
O. J.
Lee
,
T. J.
Gudmundsen
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
96602
(
2012
).
11.
L.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science (80-)
336
,
555
(
2012
).
12.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
I. M.
Miron
,
G.
Gaudin
,
S.
Auffret
,
O.
Boulle
, and
P.
Gambardella
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
212404
(
2012
).
13.
C.-F.
Pai
,
L.
Liu
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122404
(
2012
).
14.
K.
Garello
,
C. O.
Avci
,
I. M.
Miron
,
M.
Baumgartner
,
A.
Ghosh
,
S.
Auffret
,
O.
Boulle
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
212402
(
2014
).
15.
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
Y.
Fan
,
J. G.
Alzate
,
W.
Jiang
,
K. L.
Wong
,
S.
Takei
,
S. A.
Bender
,
L.
Chang
,
Y.
Jiang
,
M.
Lang
,
J.
Tang
,
Y.
Wang
,
Y.
Tserkovnyak
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
548
(
2014
).
16.
X.
Qiu
,
K.
Narayanapillai
,
Y.
Wu
,
P.
Deorani
,
D.-H.
Yang
,
W.-S.
Noh
,
J.-H.
Park
,
K.-J.
Lee
,
H.-W.
Lee
, and
H.
Yang
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
333
338
(
2015
).
17.
S.
Fukami
,
T.
Anekawa
,
C.
Zhang
, and
H.
Ohno
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
621
(
2016
).
18.
I. M.
Miron
,
T.
Moore
,
H.
Szambolics
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
,
M.
Bonfim
,
A.
Schuhl
 et al.,
Nat. Mater.
10
,
419
(
2011
).
19.
S.
Emori
,
U.
Bauer
,
S.-M.
Ahn
,
E.
Martinez
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
12
,
611
(
2013
).
20.
K.
Ryu
,
L.
Thomas
,
S.
Yang
, and
S.
Parkin
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
527
(
2013
).
21.
P. P. J.
Haazen
,
E.
Murè
,
J. H.
Franken
,
R.
Lavrijsen
,
H. J. M.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Nat. Mater.
12
,
299
(
2013
).
22.
J.
Torrejon
,
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
S.
Mitani
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
, and
H.
Ohno
,
Nat. Commun.
5
,
4655
(
2014
).
23.
B. H. A. A.
Serga
and
A. V.
Chumak
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
264002
(
2010
).
24.
A. D.
Karenowska
,
A. V.
Chumak
,
A. A.
Serga
, and
B.
Hillebrands
,
Handb. Spintron.
11
,
1505
(
2015
).
25.
A.
Quindeau
,
C. O.
Avci
,
W.
Liu
,
C.
Sun
,
M.
Mann
,
A. S.
Tang
,
M. C.
Onbasli
,
D.
Bono
,
P. M.
Voyles
,
Y.
Xu
,
J.
Robinson
,
G. S. D.
Beach
, and
C. A.
Ross
,
Adv. Electron. Mater.
3
,
1600376
(
2016
).
26.
C. O.
Avci
,
A.
Quindeau
,
C.-F.
Pai
,
M.
Mann
,
L.
Caretta
,
A. S.
Tang
,
M. C.
Onbasli
,
C. A.
Ross
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
16
,
309
(
2017
).
27.
C.
Tang
,
P.
Sellappan
,
Y.
Liu
,
Y.
Xu
,
J. E.
Garay
, and
J.
Shi
,
Phys. Rev. B
94
,
140403(R)
(
2016
).
28.
A.
Ghosh
,
K.
Garello
,
C. O.
Avci
,
M.
Gabureac
, and
P.
Gambardella
,
Phys. Rev. Appl.
7
,
014004
(
2017
).
29.
H.
Nakayama
,
M.
Althammer
,
Y. T.
Chen
,
K.
Uchida
,
Y.
Kajiwara
,
D.
Kikuchi
,
T.
Ohtani
,
S.
Geprägs
,
M.
Opel
,
S.
Takahashi
,
R.
Gross
,
G. E. W.
Bauer
,
S. T. B.
Goennenwein
, and
E.
Saitoh
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
206601
(
2013
).
30.
Y.-T.
Chen
,
S.
Takahashi
,
H.
Nakayama
,
M.
Althammer
,
S.
Goennenwein
,
E.
Saitoh
, and
G.
Bauer
,
Phys. Rev. B
87
,
144411
(
2013
).
31.
C. O.
Avci
,
A.
Quindeau
,
M.
Mann
,
C.
Pai
,
C. A.
Ross
, and
G. S. D.
Beach
,
Phys. Rev. B
95
,
115428
(
2017
).
32.
J.
Li
,
G.
Yu
,
C.
Tang
,
Y.
Liu
,
Z.
Shi
,
Y.
Liu
,
A.
Navabi
,
M.
Aldosary
,
Q.
Shao
,
K. L.
Wang
,
R.
Lake
, and
J.
Shi
,
Phys. Rev. B
95
,
241305(R)
(
2017
).
33.
M.
Althammer
,
S.
Meyer
,
H.
Nakayama
,
M.
Schreier
,
S.
Altmannshofer
,
M.
Weiler
,
H.
Huebl
,
S.
Gepr
,
M.
Opel
,
R.
Gross
,
D.
Meier
,
C.
Klewe
,
T.
Kuschel
,
J.
Schmalhorst
,
L.
Shen
,
A.
Gupta
,
Y.
Chen
,
E.
Saitoh
, and
S. T. B.
Goennenwein
,
Phys. Rev. B
87
,
224401
(
2013
).
34.
N.
Vlietstra
,
J.
Shan
,
V.
Castel
,
B. J.
Van Wees
, and
J.
Ben Youssef
,
Phys. Rev. B
87
,
184421
(
2013
).
35.
M.
Isasa
,
A.
Bedoya-pinto
,
S.
Vélez
,
F.
Golmar
,
F.
Sánchez
,
L. E.
Hueso
, and
F.
Golmar
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
142402
(
2014
).
36.
O. J.
Lee
,
L. Q.
Liu
,
C. F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
P. G.
Gowtham
,
J. P.
Park
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. B
89
,
24418
(
2014
).
37.
J.-C.
Rojas-Sanchez
,
P.
Laczkowski
,
J.
Sampaio
,
S.
Collin
,
K.
Bouzehouane
,
N.
Reyren
,
H.
Jaffres
,
A.
Mougin
, and
J.-M.
George
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
82406
(
2016
).
38.
M.
Baumgartner
,
K.
Garello
,
J.
Mendil
,
C. O.
Avci
,
E.
Grimaldi
,
C.
Murer
,
J.
Feng
,
M.
Gabureac
,
C.
Stamm
,
Y.
Acremann
,
S.
Finizio
,
S.
Wintz
,
J.
Raabe
, and
P.
Gambardella
, Nat. Nanotechnol. (in press).
39.
S.
Yang
,
K.
Ryu
, and
S.
Parkin
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
221
(
2015
).
You do not currently have access to this content.