To further reduce the energy consumption in spin–orbit torque devices, it is crucial to precisely quantify the spin–orbit torque (SOT) in different materials and structures. In this work, heavy metal/ferromagnet and heavy metal/ferrimagnet heterostructures are employed as the model systems to compare the electrical and optical methods for the SOT characterization, which are based on the anomalous Hall effect and the magneto-optical Kerr effect, respectively. It is found that both methods yield the consistent SOT strength for the current-driven magnetization switching measurements and the harmonic measurements. Our results suggest that the optical method is a feasible and reliable tool to investigate SOT, which is a powerful way to develop insulator-based magnetic systems in the future.

1.
L.
Liu
,
C. F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
(
6081
),
555
558
(
2012
).
2.
C. F.
Pai
,
L.
Liu
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122404
(
2012
).
3.
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
193
(
2011
).
4.
M.
Montazeri
,
P.
Upadhyaya
,
M. C.
Onbasli
,
G.
Yu
,
K. L.
Wong
,
M.
Lang
,
Y.
Fan
,
X.
Li
,
P. K.
Amiri
,
R. N.
Schwartz
,
C. A.
Ross
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Commun.
6
,
8958
(
2015
).
5.
Q.
Shao
,
C.
Tang
,
G.
Yu
,
A.
Navabi
,
H.
Wu
,
C.
He
,
J.
Li
,
P.
Upadhyaya
,
P.
Zhang
,
S. A.
Razavi
,
Q. L.
He
,
Y.
Liu
,
P.
Yang
,
S. K.
Kim
,
C.
Zheng
,
Y.
Liu
,
L.
Pan
,
R. K.
Lake
,
X.
Han
,
Y.
Tserkovnyak
,
J.
Shi
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Commun.
9
,
3612
(
2018
).
6.
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
314
(
2017
).
7.
C. Y.
Guo
,
C. H.
Wan
,
M. K.
Zhao
,
H.
Wu
,
C.
Fang
,
Z. R.
Yan
,
J. F.
Feng
,
H. F.
Liu
, and
X. F.
Han
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
192409
(
2019
).
8.
J.
Han
,
A.
Richardella
,
S. A.
Siddiqui
,
J.
Finley
,
N.
Samarth
, and
L.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
077702
(
2017
).
9.
M.
Dc
,
R.
Grassi
,
J. Y.
Chen
,
M.
Jamali
,
D.
Reifsnyder Hickey
,
D.
Zhang
,
Z.
Zhao
,
H.
Li
,
P.
Quarterman
,
Y.
Lv
,
M.
Li
,
A.
Manchon
,
K. A.
Mkhoyan
,
T.
Low
, and
J. P.
Wang
,
Nat. Mater.
17
,
800
807
(
2018
).
10.
N. H. D.
Khang
,
Y.
Ueda
, and
P. N.
Hai
,
Nat. Mater.
17
,
808
813
(
2018
).
11.
Y.
Wang
,
D.
Zhu
,
Y.
Wu
,
Y.
Yang
,
J.
Yu
,
R.
Ramaswamy
,
R.
Mishra
,
S.
Shi
,
M.
Elyasi
,
K. L.
Teo
,
Y.
Wu
, and
H.
Yang
,
Nat. Commun.
8
,
1364
(
2017
).
12.
H.
Wu
,
P.
Zhang
,
P.
Deng
,
Q.
Lan
,
Q.
Pan
,
S. A.
Razavi
,
X.
Che
,
L.
Huang
,
B.
Dai
,
K.
Wong
,
X.
Han
, and
K. L.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
207205
(
2019
).
13.
Y.
Fan
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Kou
,
M.
Lang
,
S.
Takei
,
Z.
Wang
,
J.
Tang
,
L.
He
,
L. Te
Chang
,
M.
Montazeri
,
G.
Yu
,
W.
Jiang
,
T.
Nie
,
R. N.
Schwartz
,
Y.
Tserkovnyak
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Mater.
13
,
699
704
(
2014
).
14.
Y.
Fan
,
X.
Kou
,
P.
Upadhyaya
,
Q.
Shao
,
L.
Pan
,
M.
Lang
,
X.
Che
,
J.
Tang
,
M.
Montazeri
,
K.
Murata
,
L. Te
Chang
,
M.
Akyol
,
G.
Yu
,
T.
Nie
,
K. L.
Wong
,
J.
Liu
,
Y.
Wang
,
Y.
Tserkovnyak
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
352
359
(
2016
).
15.
K.
Yasuda
,
A.
Tsukazaki
,
R.
Yoshimi
,
K.
Kondou
,
K. S.
Takahashi
,
Y.
Otani
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
137204
(
2017
).
16.
Y. C.
Lau
,
D.
Betto
,
K.
Rode
,
J. M. D.
Coey
, and
P.
Stamenov
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
758
762
(
2016
).
17.
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
884
(
2016
).
18.
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
Y.
Fan
,
J. G.
Alzate
,
W.
Jiang
,
K. L.
Wong
,
S.
Takei
,
S. A.
Bender
,
L. Te
Chang
,
Y.
Jiang
,
M.
Lang
,
J.
Tang
,
Y.
Wang
,
Y.
Tserkovnyak
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
548
554
(
2014
).
19.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
Duttagupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
,
535
541
(
2016
).
20.
S. H. C.
Baek
,
V. P.
Amin
,
Y. W.
Oh
,
G.
Go
,
S. J.
Lee
,
G. H.
Lee
,
K. J.
Kim
,
M. D.
Stiles
,
B. G.
Park
, and
K. J.
Lee
,
Nat. Mater.
17
,
509
513
(
2018
).
21.
A.
Razavi
,
H.
Wu
,
Q.
Shao
,
C.
Fang
,
B.
Dai
,
K.
Wong
,
X.
Han
,
G.
Yu
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
20
,
3703
3709
(
2020
).
22.
T.
Miyazaki
and
N.
Tezuka
,
J. Magn. Magn. Mater.
139
(
1995
),
L231
L297
(
1995
).
23.
M.
Julliere
,
Phys. Lett. A
54
,
225
226
(
1975
).
24.
J. S.
Moodera
,
L. R.
Kinder
,
T. M.
Wong
, and
R.
Meservey
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
3273
3276
(
1995
).
25.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
A.
Ghosh
,
M.
Gabureac
,
S. F.
Alvarado
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Phys.
11
,
570
575
(
2015
).
26.
K.
Yasuda
,
A.
Tsukazaki
,
R.
Yoshimi
,
K. S.
Takahashi
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
127202
(
2016
).
27.
P.
Li
,
J.
Kally
,
S. S. L.
Zhang
,
T.
Pillsbury
,
J.
Ding
,
G.
Csaba
,
J.
Ding
,
J. S.
Jiang
,
Y.
Liu
,
R.
Sinclair
,
C.
Bi
,
A.
DeMann
,
G.
Rimal
,
W.
Zhang
,
S. B.
Field
,
J.
Tang
,
W.
Wang
,
O. G.
Heinonen
,
V.
Novosad
,
A.
Hoffmann
,
N.
Samarth
, and
M.
Wu
,
Sci. Adv.
5
(
8
),
eaaw3415
(
2019
).
28.
S. Y.
Huang
,
X.
Fan
,
D.
Qu
,
Y. P.
Chen
,
W. G.
Wang
,
J.
Wu
,
T. Y.
Chen
,
J. Q.
Xiao
, and
C. L.
Chien
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
107204
(
2012
).
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.
H.
Wu
,
D.
Turan
,
Q.
Pan
,
G.
Wu
,
S. A.
Razavi
,
N. T.
Yardimci
,
Z.
Zhang
,
M.
Jarrahi
, and
K. L.
Wang
, preprint arXiv:1912.10129 (
2019
).
31.
C. D.
Stanciu
,
A. V.
Kimel
,
F.
Hansteen
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
A.
Kirilyuk
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. B
73
,
220402
(
2006
).
32.
I.
Radu
,
K.
Vahaplar
,
C.
Stamm
,
T.
Kachel
,
N.
Pontius
,
H. A.
Dürr
,
T. A.
Ostler
,
J.
Barker
,
R. F. L.
Evans
,
R. W.
Chantrell
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
A.
Kirilyuk
,
T.
Rasing
, and
A. V.
Kimel
,
Nature
472
,
205
208
(
2011
).
33.
H.
Wu
,
F.
Groß
,
B.
Dai
,
D.
Lujan
,
S. A.
Razavi
,
P.
Zhang
,
Y.
Liu
,
K.
Sobotkiewich
,
J.
Förster
,
M.
Weigand
,
G.
Schütz
,
X.
Li
,
J.
Gräfe
, and
K. L.
Wang
,
Adv. Mater.
32
(
34
),
2003380
(
2020
).
34.
S.
Visnovsky
and
B.
Thompson
,
Optics in Magnetic Multilayers and Nanostructures
(
CRC Press
,
Boca Raton
,
2006
).
35.
S.
Mangin
,
D.
Ravelosona
,
J. A.
Katine
,
M. J.
Carey
,
B. D.
Terris
, and
E. E.
Fullerton
,
Nat. Mater.
5
,
210
215
(
2006
).
36.
D.
Wu
,
Z.
Zhang
,
L.
Li
,
Z.
Zhang
,
H. B.
Zhao
,
J.
Wang
,
B.
Ma
, and
Q. Y.
Jin
,
Sci. Rep.
5
,
12352
(
2015
).
37.
H.
Wu
,
Y.
Xu
,
P.
Deng
,
Q.
Pan
,
S. A.
Razavi
,
K.
Wong
,
L.
Huang
,
B.
Dai
,
Q.
Shao
,
G.
Yu
,
X.
Han
,
J. C.
Rojas-Sánchez
,
S.
Mangin
, and
K. L.
Wang
,
Adv. Mater.
31
(
35
),
1901681
(
2019
).
38.
M.
Hayashi
,
J.
Kim
,
M.
Yamanouchi
, and
H.
Ohno
,
Phys. Rev. B
89
,
144425
(
2014
).
39.
Q.
Shao
,
G.
Yu
,
Y. W.
Lan
,
Y.
Shi
,
M. Y.
Li
,
C.
Zheng
,
X.
Zhu
,
L. J.
Li
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
16
(
12
),
7514
7520
(
2016
).
40.
Y.
Hirata
,
D.
Kim
,
T.
Okuno
,
T.
Nishimura
,
D.
Kim
,
Y.
Futakawa
,
H.
Yoshikawa
,
A.
Tsukamoto
,
K.
Kim
,
S.
Choe
, and
T.
Ono
,
Phys. Rev. B
97
,
220403(R)
(
2018
).
41.
T. Y.
Tsai
,
T. Y.
Chen
,
C. T.
Wu
,
H. I.
Chan
, and
C. F.
Pai
,
Sci. Rep.
8
,
5613
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.