We report on the combination of current-induced spin–orbit torques and giant magnetoresistance in a single device to achieve all-electrical write and readout of the magnetization. The device consists of perpendicularly magnetized TbCo and Co layers separated by a Pt or Cu spacer. Current injection through such layers exerts spin–orbit torques and switches the magnetization of the Co layer, while the TbCo magnetization remains fixed. Subsequent current injection of lower amplitude senses the relative orientation of the magnetization of the Co and TbCo layers, which results in two distinct resistance levels for parallel and antiparallel alignment due to the current-in-plane giant magnetoresistance effect. We further show that the giant magnetoresistance of devices including a single TbCo/spacer/Co trilayer can be improved from 0.02% to 6% by using a Cu spacer instead of Pt. This type of devices offers an alternative route to a two-terminal spintronic memory that can be fabricated with a moderate effort.

1.
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
(
7359
),
189
(
2011
).
2.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
C.
Nistor
,
S.
Godey
,
B.
Ballesteros
,
A.
Mugarza
,
A.
Barla
,
M.
Valvidares
,
E.
Pellegrin
,
A.
Ghosh
,
I. M.
Miron
,
O.
Boulle
,
S.
Auffret
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Phys. Rev. B
89
(
21
),
214419
(
2014
).
3.
K.
Garello
,
I. M.
Miron
,
C. O.
Avci
,
F.
Freimuth
,
Y.
Mokrousov
,
S.
Blugel
,
S.
Auffret
,
O.
Boulle
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Nanotechnol.
8
(
8
),
587
(
2013
).
4.
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Fukami
,
T.
Suzuki
,
S.
Mitani
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
12
(
3
),
240
(
2013
).
5.
L.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
(
6081
),
555
(
2012
).
6.
C.-F.
Pai
,
L.
Liu
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
101
(
12
),
122404
(
2012
).
7.
S.
Emori
,
U.
Bauer
,
S. M.
Ahn
,
E.
Martinez
, and
G. S.
Beach
,
Nat. Mater.
12
(
7
),
611
(
2013
).
8.
K. S.
Ryu
,
L.
Thomas
,
S. H.
Yang
, and
S.
Parkin
,
Nat. Nanotechnol.
8
(
7
),
527
(
2013
).
9.
P. P.
Haazen
,
E.
Mure
,
J. H.
Franken
,
R.
Lavrijsen
,
H. J.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Nat. Mater.
12
(
4
),
299
(
2013
).
10.
C. K.
Safeer
,
E.
Jue
,
A.
Lopez
,
L.
Buda-Prejbeanu
,
S.
Auffret
,
S.
Pizzini
,
O.
Boulle
,
I. M.
Miron
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Nanotechnol.
11
(
2
),
143
(
2016
).
11.
A.
Manchon
,
J.
Železný
,
I.  M.
Miron
,
T.
Jungwirth
,
J.
Sinova
,
A.
Thiaville
,
K.
Garello
, and
P.
Gambardella
,
Rev. Mod. Phys.
91
(
3
),
035004
(
2019
).
12.
D. C.
Ralph
and
M. D.
Stiles
,
J. Magn. Magn. Mater.
320
(
7
),
1190
(
2008
).
13.
C.
Song
,
R.
Zhang
,
L.
Liao
,
Y.
Zhou
,
X.
Zhou
,
R.
Chen
,
Y.
You
,
X.
Chen
, and
F.
Pan
,
Prog. Mater. Sci.
118
,
100761
(
2021
).
14.
J.
Ryu
,
S.
Lee
,
K.-J.
Lee
, and
B.-G.
Park
,
Adv. Mater.
32
(
35
),
1907148
(
2020
).
15.
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
(
4
),
042406
(
2014
).
16.
E.
Grimaldi
,
V.
Krizakova
,
G.
Sala
,
F.
Yasin
,
S.
Couet
,
G.
Sankar Kar
,
K.
Garello
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Nanotechnol.
15
(
2
),
111
(
2020
).
17.
K.
Garello
,
F.
Yasin
,
H.
Hody
,
S.
Couet
,
L.
Souriau
,
S. H.
Sharifi
,
J.
Swerts
,
R.
Carpenter
,
S.
Rao
,
W.
Kim
,
J.
Wu
,
K. K. V.
Sethu
,
M.
Pak
,
N.
Jossart
,
D.
Crotti
,
A.
Furnémont
, and
G. S.
Kar
, “Manufacturable 300 mm platform solution for field-free switching SOT-MRAM,” in presented at the
2019 Symposium on VLSI Circuits
(IEEE,
2019
), pp.
T194
T195
.
18.
B.
Dieny
,
I. L.
Prejbeanu
,
K.
Garello
,
P.
Gambardella
,
P.
Freitas
,
R.
Lehndorff
,
W.
Raberg
,
U.
Ebels
,
S. O.
Demokritov
,
J.
Akerman
,
A.
Deac
,
P.
Pirro
,
C.
Adelmann
,
A.
Anane
,
A. V.
Chumak
,
A.
Hirohata
,
S.
Mangin
,
S. O.
Valenzuela
,
M.
Cengiz Onbaşlı
,
M.
d'Aquino
,
G.
Prenat
,
G.
Finocchio
,
L.
Lopez-Diaz
,
R.
Chantrell
,
O.
Chubykalo-Fesenko
, and
P.
Bortolotti
,
Nat. Electron.
3
(
8
),
446
(
2020
).
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.
Cyrille
,
P.
Gambardella
,
M.
Tahoori
, and
G.
Gaudin
,
IEEE Trans. Multi-Scale Comput. Syst.
2
(
1
),
49
(
2016
).
20.
Y.
Kato
,
H.
Yoda
,
T.
Inokuchi
,
M.
Shimizu
,
Y.
Ohsawa
,
K.
Fujii
,
M.
Yoshiki
,
S.
Oikawa
,
S.
Shirotori
,
K.
Koi
,
N.
Shimomura
,
B.
Altansargai
,
H.
Sugiyama
, and
A.
Kurobe
,
J. Magn. Magn. Mater.
491
,
165536
(
2019
).
21.
V.
Krizakova
,
K.
Garello
,
E.
Grimaldi
,
G.
Sankar Kar
, and
P.
Gambardella
,
Appl. Phys. Lett.
116
(
23
),
232406
(
2020
).
22.
C. O.
Avci
,
M.
Mann
,
A. J.
Tan
,
P.
Gambardella
, and
G. S. D.
Beach
,
Appl. Phys. Lett.
110
(
20
),
203506
(
2017
).
23.
N.
Sato
,
F.
Xue
,
R. M.
White
,
C.
Bi
, and
S. X.
Wang
,
Nat. Electron.
1
(
9
),
508
(
2018
).
24.
M. N.
Baibich
,
J. M.
Broto
,
A.
Fert
,
F.
Nguyen Van Dau
,
F.
Petroff
,
P.
Etienne
,
G.
Creuzet
,
A.
Friederich
, and
J.
Chazelas
,
Phys. Rev. Lett.
61
(
21
),
2472
(
1988
).
25.
G.
Binasch
,
P.
Grunberg
,
F.
Saurenbach
, and
W.
Zinn
,
Phys. Rev. B
39
(
7
),
4828
(
1989
).
26.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
A.
Ghosh
,
M.
Gabureac
,
S. F.
Alvarado
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Phys.
11
(
7
),
570
(
2015
).
27.
R.
Asomoza
,
I. A.
Campbell
,
H.
Jouve
, and
R.
Meyer
,
J. Appl. Phys.
48
(
9
),
3829
(
1977
).
28.
M.-S.
Lin
,
C.-H.
Lai
,
Y.-Y.
Liao
,
Z.-H.
Wu
,
S.-H.
Huang
, and
R.-F.
Jiang
,
J. Appl. Phys.
99
(
8
),
08T106
(
2006
).
29.
C.-H.
Lai
,
Z.-H.
Wu
,
C.-C.
Lin
, and
P. H.
Huang
,
J. Appl. Phys.
97
(
10
),
10C511
(
2005
).
30.
H. Y. T.
Nguyen
,
W. P.
Pratt
, and
J.
Bass
,
J. Magn. Magn. Mater.
361
,
30
(
2014
).
31.
F.
Garcia
,
F.
Fettar
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
, and
B.
Dieny
,
J. Appl. Phys.
93
(
10
),
8397
(
2003
).
32.
D. Z.
Yang
,
B.
You
,
X. X.
Zhang
,
T. R.
Gao
,
S. M.
Zhou
, and
J.
Du
,
Phys. Rev. B
74
(
2
),
024411
(
2006
).
33.
M.
Gottwald
,
M.
Hehn
,
F.
Montaigne
,
D.
Lacour
,
G.
Lengaigne
,
S.
Suire
, and
S.
Mangin
,
J. Appl. Phys.
111
(
8
),
083904
(
2012
).
34.
C.
Bellouard
,
H. D.
Rapp
,
B.
George
,
S.
Mangin
,
G.
Marchal
, and
J. C.
Ousset
,
Phys. Rev. B
53
(
9
),
5082
(
1996
).
35.
Y.
Mimura
,
N.
Imamura
, and
Y.
Kushiro
,
J. Appl. Phys.
47
(
7
),
3371
(
1976
).
36.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
I. M.
Miron
,
G.
Gaudin
,
S.
Auffret
,
O.
Boulle
, and
P.
Gambardella
,
Appl. Phys. Lett.
100
(
21
),
212404
(
2012
).
37.
C. O.
Avci
,
G. S. D.
Beach
, and
P.
Gambardella
,
Phys. Rev. B
100
(
23
),
235454
(
2019
).
38.
B.
Dieny
,
V. S.
Speriosu
,
S.
Metin
,
S. S. P.
Parkin
,
B. A.
Gurney
,
P.
Baumgart
, and
D. R.
Wilhoit
,
J. Appl. Phys.
69
(
8
),
4774
(
1991
).
39.
S. N.
Kim
,
J. W.
Choi
, and
S. H.
Lim
,
Sci. Rep.
9
(
1
),
1617
(
2019
).
40.
S.
Ding
,
A.
Ross
,
D.
Go
,
L.
Baldrati
,
Z.
Ren
,
F.
Freimuth
,
S.
Becker
,
F.
Kammerbauer
,
J.
Yang
,
G.
Jakob
,
Y.
Mokrousov
, and
M.
Kläui
,
Phys. Rev. Lett.
125
(
17
),
177201
(
2020
).
41.
B.
Dieny
,
V. S.
Speriosu
,
S. S. P.
Parkin
,
B. A.
Gurney
,
D. R.
Wilhoit
, and
D.
Mauri
,
Phys. Rev. B
43
(
1
),
1297
(
1991
).
42.
S.
Le Gall
,
J.
Cucchiara
,
M.
Gottwald
,
C.
Berthelot
,
C. H.
Lambert
,
Y.
Henry
,
D.
Bedau
,
D. B.
Gopman
,
H.
Liu
,
A. D.
Kent
,
J. Z.
Sun
,
W.
Lin
,
D.
Ravelosona
,
J. A.
Katine
,
E. E.
Fullerton
, and
S.
Mangin
,
Phys. Rev. B
86
(
1
),
014419
(
2012
).
43.
J. A.
Katine
,
F. J.
Albert
,
R. A.
Buhrman
,
E. B.
Myers
, and
D. C.
Ralph
,
Phys. Rev. Lett.
84
(
14
),
3149
(
2000
).
44.
D.
Bedau
,
H.
Liu
,
J. J.
Bouzaglou
,
A. D.
Kent
,
J. Z.
Sun
,
J. A.
Katine
,
E. E.
Fullerton
, and
S.
Mangin
,
Appl. Phys. Lett.
96
(
2
),
022514
(
2010
).
45.
J.
Grollier
,
D.
Lacour
,
V.
Cros
,
A.
Hamzic
,
A.
Vaurès
,
A.
Fert
,
D.
Adam
, and
G.
Faini
,
J. Appl. Phys.
92
(
8
),
4825
(
2002
).
46.
A.
Himeno
,
T.
Ono
,
S.
Nasu
,
K.
Shigeto
,
K.
Mibu
, and
T.
Shinjo
,
J. Appl. Phys.
93
(
10
),
8430
(
2003
).
47.
M.
Hayashi
,
L.
Thomas
,
Y. B.
Bazaliy
,
C.
Rettner
,
R.
Moriya
,
X.
Jiang
, and
S. S. P.
Parkin
,
Phys. Rev. Lett.
96
(
19
),
197207
(
2006
).
48.
R. Q.
Zhang
,
J.
Su
,
J. W.
Cai
,
G. Y.
Shi
,
F.
Li
,
L. Y.
Liao
,
F.
Pan
, and
C.
Song
,
Appl. Phys. Lett.
114
(
9
),
092404
(
2019
).
49.
G. Y.
Shi
,
C. H.
Wan
,
Y. S.
Chang
,
F.
Li
,
X. J.
Zhou
,
P. X.
Zhang
,
J. W.
Cai
,
X. F.
Han
,
F.
Pan
, and
C.
Song
,
Phys. Rev. B
95
(
10
),
104435
(
2017
).
50.
M. D.
Pickett
,
G.
Medeiros-Ribeiro
, and
R.
Stanley Williams
,
Nat. Mater.
12
(
2
),
114
(
2013
).
You do not currently have access to this content.