Current-induced magnetization switching plays an essential role in spintronic devices exhibiting nonvolatility, high-speed processing, and low-power consumption. Here, we report on the spin–orbit torque-induced magnetization switching in perpendicularly magnetized L10-MnGa/FeMn/Pt trilayers grown by molecular-beam epitaxy. An antiferromagnetic FeMn layer is inserted between the spin current generating Pt layer and spin absorbing MnGa layer. Due to the exchange bias effect, the trilayers show field-free spin–orbit torque switching. Overall, the spin transmission efficiency decreases monotonically as the FeMn thickness increases. It is found that the spin current can be transmitted through an 8 nm-thick FeMn layer as evidenced by partial switching of the L10-MnGa. The damping-like spin–orbit torque efficiency shows a peak value at tFeMn = 1.5 nm due to the enhanced interfacial spin transparency and crystalline quality of the FeMn. These results help demonstrate the efficacy of emerging spintronic devices containing antiferromagnetic elements.

1.
2.
L. Q.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
,
555
(
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
(
2011
).
4.
M.
Cubukcu
,
O.
Boulle
,
N.
Mikuszeit
,
C.
Hamelin
,
T.
Bracher
,
N.
Lamard
,
M.-C.
Cyrille
,
L.
Buda-Prejbeanu
,
K.
Garello
,
I. M.
Miron
,
O.
Klein
,
G.
De Loubens
,
V. V.
Naletov
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
P.
Gambardella
, and
G.
Gaudin
,
IEEE Trans. Magn.
54
,
1
(
2018
).
5.
K.
Jabeur
,
G. D.
Pendina
,
F.
Bernard-Granger
, and
G.
Prenat
,
IEEE Electron Device Lett.
35
,
408
(
2014
).
6.
E.
Jue
,
C. K.
Safeer
,
M.
Drouard
,
A.
Lopez
, and
P.
Balint
,
Nat. Mater.
15
,
272
(
2016
).
7.
S.
Emori
,
U.
Bauer
,
S.
Woo
,
G. S. D.
Beach
,
S.
Emori
,
U.
Bauer
,
S.
Woo
, and
G. S. D.
Beach
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
222401
(
2014
).
8.
T.
Jungwirth
,
X.
Marti
,
P.
Wadley
, and
J.
Wunderlich
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
231
(
2016
).
9.
V.
Baltz
,
A.
Manchon
,
M.
Tsoi
,
T.
Moriyama
,
T.
Ono
, and
Y.
Tserkovnyak
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
015005
(
2018
).
10.
H.
Wang
,
C.
Du
,
P. C.
Hammel
, and
F.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
097202
(
2014
).
11.
R.
Lebrun
,
A.
Ross
,
S.  A.
Bender
,
A.
Qaiumzadeh
,
L.
Baldrati
,
J.
Cramer
,
A.
Brataas
,
R.  A.
Duine
, and
M.
Kläui
,
Nature
561
,
222
(
2018
).
12.
D.
Hou
,
Z.
Qiu
, and
E.
Saitoh
,
NPG Asia Mater.
11
,
35
(
2019
).
13.
H.
Wang
,
J.
Finley
,
P. X.
Zhang
,
J. H.
Han
,
J. T.
Hou
, and
L. Q.
Liu
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
044070
(
2019
).
14.
H.
Saglam
,
W.
Zhang
,
M. B.
Jungfleisch
,
J.
Sklenar
,
J. E.
Pearson
,
J. B.
Ketterson
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rev. B
94
,
140412
(
2016
).
15.
X.
Wang
,
C.
Wan
,
Y.
Liu
,
Q. M.
Shao
,
H.
Wu
,
C.
Guo
,
C.
Fang
,
Y.
Guang
,
W.
Yang
,
C.
He
,
B.
Tao
,
X.
Zhang
,
T.
Ma
,
J.
Dong
,
Y.
Zhang
,
J.
Feng
,
J.
Xiao
,
K. L.
Wang
,
G.
Yu
, and
X. F.
Han
,
Phys. Rev. B
101
,
144412
(
2020
).
16.
Y.
Wang
,
D.
Zhu
,
Y.
Yang
,
K.
Lee
,
R.
Mishra
,
G.
Go
,
S. H.
Oh
,
D. H.
Kim
,
K.
Cai
,
E.
Liu
,
S. D.
Pollard
,
S.
Shi
,
J.
Lee
,
K. L. T. Y.
Wu
,
K. J.
Lee
, and
H.
Yang
,
Science
366
,
1125
(
2019
).
17.
G.
Tatara
and
C. O.
Pauyac
,
Phys. Rev. B
99
,
180405
(
2019
).
18.
O.
Gladii
,
L.
Frangou
,
G.
Forestier
,
R. L.
Seeger
,
S.
Auffret
,
I.
Joumard
,
M.
Rubio-Roy
,
S.
Gambarelli
, and
V.
Baltz
,
Phys. Rev. B
98
,
094422
(
2018
).
19.
W.
Lin
,
K.
Chen
,
S.
Zhang
, and
C.
Chien
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
186601
(
2016
).
20.
M.
Zwierzycki
,
Y.
Tserkovnyak
,
P. J.
Kelly
,
A.
Brataas
, and
G. E.
Bauer
,
Phys. Rev. B
71
,
064420
(
2005
).
21.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
DuttaGupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
,
535
(
2016
).
22.
M.
Ekholm
and
I. A.
Abrikosov
,
Phys. Rev. B
84
,
104423
(
2011
).
23.
T. C.
Schulthess
,
W. H.
Butler
,
G. M.
Stocks
,
S.
Maat
, and
G. J.
Mankey
,
J. Appl. Phys.
85
,
4842
(
1999
).
24.
W.
Zhang
,
M. B.
Jungfleisch
,
W. J.
Jiang
,
J. E.
Pearson
,
A.
Hoffmann
,
F.
Freimuth
, and
Y.
Mokrousov
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
196602
(
2014
).
25.
P.
Merodio
,
A.
Ghosh
,
C.
Lemonias
,
E.
Gautier
,
U.
Ebels
,
M.
Chshiev
,
H.
Bea
,
V.
Baltz
, and
W. E.
Bailey
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
032406
(
2014
).
26.
B.
Wang
,
M.
Tsai
,
C.
Huang
,
C.
Shih
,
C.
Chen
,
K.
Lin
,
J.
Li
,
N.
Jih
,
C.
Lu
,
T.
Chuang
, and
D.
Wei
,
Phys. Rev. B
96
,
094416
(
2017
).
27.
L. J.
Zhu
,
S. H.
Nie
,
K. K.
Meng
,
D.
Pan
,
J. H.
Zhao
, and
H. Z.
Zheng
,
Adv. Mater.
24
,
4547
(
2012
).
28.
S.
Mizukami
,
F.
Wu
,
A.
Sakuma
,
J.
Walowski
,
D.
Watanabe
,
T.
Kubota
,
X.
Zhang
,
H.
Naganuma
,
M.
Oogane
,
Y.
Ando
, and
T.
Miyazaki
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
117201
(
2011
).
29.
X. P.
Zhao
,
J.
Lu
,
S. W.
Mao
,
Z.
Yu
,
D. H.
Wei
, and
J. H.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
042403
(
2018
).
30.
L. J.
Zhu
,
K.
Sobotkiewich
,
X.
Ma
,
X.
Li
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Adv. Func. Mater.
29
,
1805822
(
2019
).
31.
K. K.
Meng
,
J.
Miao
,
X. G.
Xu
,
Y.
Wu
,
J. X.
Xiao
,
J. H.
Zhao
, and
Y.
Jiang
,
Sci. Rep.
6
,
38375
(
2016
).
32.
K. K.
Meng
,
J.
Miao
,
X. G.
Xu
,
Y.
Wu
,
X. P.
Zhao
,
J. H.
Zhao
, and
Y.
Jiang
,
Phys. Rev. B
94
,
214413
(
2016
).
33.
R.
Ranjbar
,
K. Z.
Suzuki
,
Y.
Sasaki
,
L.
Bainsla
, and
S.
Mizukami
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
120302
(
2016
).
34.
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Fukami
,
T.
Suzuki
,
S.
Mitani
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
12
,
240
(
2013
).
35.
M.-H.
Nguyen
,
M.
Zhao
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
242407
(
2016
).
You do not currently have access to this content.