We report time-resolved measurements of magnetization switching by spin–orbit torques in the absence of an external magnetic field in perpendicularly magnetized magnetic tunnel junctions (MTJs). Field-free switching is enabled by the dipolar field of an in-plane magnetized layer integrated above the MTJ stack, the orientation of which determines the switching polarity. Real-time single-shot measurements provide direct evidence of magnetization reversal and switching distributions. Close to the critical switching voltage, we observe stochastic reversal events due to a finite incubation delay preceding the magnetization reversal. Upon increasing the pulse amplitude to twice the critical voltage, the reversal becomes quasi-deterministic, leading to reliable bipolar switching at sub-ns timescales in zero external field. We further investigate the switching probability as a function of dc bias of the MTJ and external magnetic field, providing insight into the parameters that determine the critical switching voltage.

1.
A.
Manchon
,
J.
Železný
,
I. M.
Miron
,
T.
Jungwirth
,
J.
Sinova
,
A.
Thiaville
,
K.
Garello
, and
P.
Gambardella
,
Rev. Mod. Phys.
91
,
035004
(
2019
).
2.
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
).
3.
L.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
,
555
(
2012
).
4.
M.
Cubukcu
,
O.
Boulle
,
M.
Drouard
,
K.
Garello
,
C.
Onur Avci
,
I.
Mihai Miron
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
P.
Gambardella
, and
G.
Gaudin
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
042406
(
2014
).
5.
S.
Fukami
,
T.
Anekawa
,
C.
Zhang
, and
H.
Ohno
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
621
(
2016
).
6.
S. W.
Lee
and
K. J.
Lee
,
Proc. IEEE
104
,
1831
(
2016
).
7.
Z.
Luo
,
A.
Hrabec
,
T. P.
Dao
,
G.
Sala
,
S.
Finizio
,
J.
Feng
,
S.
Mayr
,
J.
Raabe
,
P.
Gambardella
, and
L. J.
Heyderman
,
Nature
579
,
214
(
2020
).
8.
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
).
9.
C.
Zhang
,
S.
Fukami
,
H.
Sato
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
012401
(
2015
).
10.
S. V.
Aradhya
,
G. E.
Rowlands
,
J.
Oh
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Nano Lett.
16
,
5987
(
2016
).
11.
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.
12
,
980
(
2017
).
12.
J.
Yoon
,
S. W.
Lee
,
J. H.
Kwon
,
J. M.
Lee
,
J.
Son
,
X.
Qiu
,
K. J.
Lee
, and
H.
Yang
,
Sci. Adv.
3
,
e1603099
(
2017
).
13.
M. M.
Decker
,
M. S.
Wörnle
,
A.
Meisinger
,
M.
Vogel
,
H. S.
Körner
,
G. Y.
Shi
,
C.
Song
,
M.
Kronseder
, and
C. H.
Back
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
257201
(
2017
).
14.
M.
Cubukcu
,
O.
Boulle
,
N.
Mikuszeit
,
C.
Hamelin
,
T.
Brächer
,
N.
Lamard
,
M.-C.
Cyrille
,
L.
Buda-Prejbeanu
,
K.
Garello
,
I. M.
Miron
,
O.
Klein
,
G. D.
Loubens
,
V. V.
Naletov
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
P.
Gambardella
, and
G.
Gaudin
,
IEEE Trans. Magn.
54
,
1
(
2018
).
15.
Y.
Kato
,
Y.
Saito
,
H.
Yoda
,
T.
Inokuchi
,
S.
Shirotori
,
N.
Shimomura
,
S.
Oikawa
,
A.
Tiwari
,
M.
Ishikawa
,
M.
Shimizu
,
B.
Altansargai
,
H.
Sugiyama
,
K.
Koi
,
Y.
Ohsawa
, and
A.
Kurobe
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
044011
(
2018
).
16.
E.
Grimaldi
,
V.
Krizakova
,
G.
Sala
,
F.
Yasin
,
S.
Couet
,
G. S.
Kar
,
K.
Garello
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Nanotechnol.
15
,
111
(
2020
).
17.
A. D.
Kent
and
D. C.
Worledge
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
187
(
2015
).
18.
D.
Apalkov
,
B.
Dieny
, and
J. M.
Slaughter
,
Proc. IEEE
104
,
1796
(
2016
).
19.
G.
Prenat
,
K.
Jabeur
,
P.
Vanhauwaert
,
G. D.
Pendina
,
F.
Oboril
,
R.
Bishnoi
,
M.
Ebrahimi
,
N.
Lamard
,
O.
Boulle
,
K.
Garello
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
M. C.
Cyrille
,
P.
Gambardella
,
M.
Tahoori
, and
G.
Gaudin
,
IEEE Trans. Multi-Scale Comput. Syst.
2
,
49
(
2016
).
20.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
Duttagupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
,
535
(
2016
).
21.
Y. W.
Oh
,
S. H. C.
Baek
,
Y. M.
Kim
,
H. Y.
Lee
,
K. D.
Lee
,
C. G.
Yang
,
E. S.
Park
,
K. S.
Lee
,
K. W.
Kim
,
G.
Go
,
J. R.
Jeong
,
B. C.
Min
,
H. W.
Lee
,
K. J.
Lee
, and
B. G.
Park
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
878
(
2016
).
22.
A.
van den Brink
,
G.
Vermijs
,
A.
Solignac
,
J.
Koo
,
J. T.
Kohlhepp
,
H. J.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Nat. Commun.
7
,
10854
(
2016
).
23.
Y. C.
Lau
,
D.
Betto
,
K.
Rode
,
J. M.
Coey
, and
P.
Stamenov
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
758
(
2016
).
24.
Z.
Luo
,
T. P.
Dao
,
A.
Hrabec
,
J.
Vijayakumar
,
A.
Kleibert
,
M.
Baumgartner
,
E.
Kirk
,
J.
Cui
,
T.
Savchenko
,
G.
Krishnaswamy
,
L. J.
Heyderman
, and
P.
Gambardella
,
Science
363
,
1435
(
2019
).
25.
L.
You
,
O. J.
Lee
,
D.
Bhowmik
,
D.
Labanowski
,
J.
Hong
,
J.
Bokor
, and
S.
Salahuddin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
10310
(
2015
).
26.
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
Y.
Fan
,
J. G.
Alzate
,
W.
Jiang
,
K. L.
Wong
,
S.
Takei
,
S. A.
Bender
,
L. T.
Chang
,
Y.
Jiang
,
M.
Lang
,
J.
Tang
,
Y.
Wang
,
Y.
Tserkovnyak
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
548
(
2014
).
27.
C. K.
Safeer
,
E.
Jué
,
A.
Lopez
,
L.
Buda-Prejbeanu
,
S.
Auffret
,
S.
Pizzini
,
O.
Boulle
,
I. M.
Miron
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
143
(
2016
).
28.
T. Y.
Chen
,
H. I.
Chan
,
W. B.
Liao
, and
C. F.
Pai
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
044038
(
2018
).
29.
A.
van den Brink
,
S.
Cosemans
,
S.
Cornelissen
,
M.
Manfrini
,
A.
Vaysset
,
W.
Van Roy
,
T.
Min
,
H. J.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
012403
(
2014
).
30.
M.
Wang
,
W.
Cai
,
D.
Zhu
,
J.
Kan
,
Z.
Zhao
,
K.
Cao
,
Z.
Wang
,
Z.
Wang
,
Y.
Zhang
,
T.
Zhang
,
C.
Park
,
J.-P.
Wang
,
A.
Fert
, and
W.
Zhao
,
Nat. Electron.
1
,
582
(
2018
).
31.
R. L.
de Orio
,
A.
Makarov
,
S.
Selberherr
,
W.
Goes
,
J.
Ender
,
S.
Fiorentini
, and
V.
Sverdlov
,
Solid State Electron.
168
,
107730
(
2020
).
32.
K.
Garello
,
F.
Yasin
,
H.
Hody
,
S.
Couet
,
L.
Souriau
,
S. H.
Sharifi
,
J.
Swerts
,
R.
Carpenter
,
S.
Rao
,
W.
Kim
,
J.
Wu
,
K.
Sethu
,
M.
Pak
,
N.
Jossart
,
D.
Crotti
,
A.
Furnemont
, and
G. S.
Kar
, in
IEEE Symposium on VLSI Technology
(
2019
), p.
T194
.
33.
T.
Devolder
,
J.
Hayakawa
,
K.
Ito
,
H.
Takahashi
,
S.
Ikeda
,
P.
Crozat
,
N.
Zerounian
,
J. V.
Kim
,
C.
Chappert
, and
H.
Ohno
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
057206
(
2008
).
34.
H.
Tomita
,
K.
Konishi
,
T.
Nozaki
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
K.
Yakushiji
,
S.
Yuasa
,
T.
Shinjo
,
Y.
Nakatani
,
M.
Shiraishi
, and
Y.
Suzuki
,
Appl. Phys. Express
1
,
061303
(
2008
).
35.
Y.-T.
Cui
,
G.
Finocchio
,
C.
Wang
,
J. A.
Katine
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
097201
(
2010
).
36.
C.
Hahn
,
G.
Wolf
,
B.
Kardasz
,
S.
Watts
,
M.
Pinarbasi
, and
A. D.
Kent
,
Phys. Rev. B
94
,
214432
(
2016
).
37.
T.
Devolder
,
A. L.
Goff
, and
V.
Nikitin
,
Phys. Rev. B
93
,
224432
(
2016
).
38.
T.
Devolder
,
J. V.
Kim
,
F.
Garcia-Sanchez
,
J.
Swerts
,
W.
Kim
,
S.
Couet
,
G.
Kar
, and
A.
Furnemont
,
Phys. Rev. B
93
,
024420
(
2016
).
39.
T.
Inokuchi
,
H.
Yoda
,
K.
Koi
,
N.
Shimomura
,
Y.
Ohsawa
,
Y.
Kato
,
S.
Shirotori
,
M.
Shimizu
,
H.
Sugiyama
,
S.
Oikawa
,
B.
Altansargai
, and
A.
Kurobe
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
192404
(
2019
).
40.
I. M.
Miron
,
T.
Moore
,
H.
Szambolics
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
,
M.
Bonfim
,
A.
Schuhl
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Mater.
10
,
419
(
2011
).
41.
A.
Thiaville
,
S.
Rohart
,
É.
Jué
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Europhys. Lett.
100
,
57002
(
2012
).
42.
S.
Emori
,
U.
Bauer
,
S.-M.
Ahn
,
E.
Martinez
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
12
,
611
(
2013
).
43.
E.
Martinez
,
S.
Emori
,
G. S. D.
Beach
,
E.
Martinez
,
S.
Emori
, and
G. S. D.
Beach
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
072406
(
2013
).
44.
N.
Mikuszeit
,
O.
Boulle
,
I. M.
Miron
,
K.
Garello
,
P.
Gambardella
,
G.
Gaudin
, and
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
Phys. Rev. B
92
,
144424
(
2015
).
45.
D.
Bedau
,
H.
Liu
,
J. Z.
Sun
,
J. A.
Katine
,
E. E.
Fullerton
,
S.
Mangin
, and
A. D.
Kent
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
262502
(
2010
).
46.
H.
Liu
,
D.
Bedau
,
J. Z.
Sun
,
S.
Mangin
,
E. E.
Fullerton
,
J. A.
Katine
, and
A. D.
Kent
,
J. Magn. Magn. Mater.
358-359
,
233
(
2014
).
You do not currently have access to this content.