Spin Hall effect (SHE) in heavy metals generates a spin–orbit torque (SOT) on a ferromagnet. Research has been focused on the material properties of heavy metals to enhance SOT efficiency, and promising alloys for large SHE have been reported. In this study, we optically investigated the SOT of a PtMn alloy with Mn concentrations ranging from 0 to 75%. We observed that the critical Mn concentration for the maximum SOT depends on the ferromagnet: with Co as a ferromagnet, a peak spin Hall angle of 0.11 was obtained at an Mn concentration of 25%; with CoFeB as a ferromagnet, a peak spin Hall angle of 0.18 was obtained at an Mn concentration of 50%. Such a strong ferromagnetic dependence may originate from the structural matching between the poorly crystalline structure of PtMn and amorphous structure of CoFeB.

1.
I. M.
Miron
,
G.
Gaudin
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Mater.
9
,
230
(
2010
).
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. Q.
Liu
,
T.
Moriyama
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
036601
(
2011
).
4.
L. Q.
Liu
,
C. F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
,
555
(
2012
).
5.
Q.
Shao
,
P.
Li
,
L.
Liu
,
H.
Yang
,
S. E.
Fukami
,
A.
Razavi
,
H.
Wu
,
K.
Wang
,
F.
Freimuth
,
Y.
Mokrousov
,
M. D.
Stiles
,
S.
Emori
,
A.
Hoffmann
,
J.
Åkerman
,
K.
Roy
,
J.-P.
Wang
,
S.-H.
Yang
,
K.
Garello
, and
W.
Zhang
,
IEEE Trans. Magn.
57
,
800439
(
2021
).
6.
J.
Sinova
,
S. O.
Valenzuela
,
J.
Wunderlich
,
C. H.
Back
, and
T.
Jungwirth
,
Rev. Mod. Phys.
87
,
1213
(
2015
).
7.
Y.
Niimi
,
M.
Morota
,
D. H.
Wei
,
C.
Deranlot
,
M.
Basletic
,
A.
Hamzic
,
A.
Fert
, and
Y.
Otani
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
126601
(
2011
).
8.
M.
Obstbaum
,
M.
Decker
,
A. K.
Greitner
,
M.
Haertinger
,
T. N. C.
Meier
,
M.
Kronseder
,
K.
Chadova
,
S.
Wimmer
,
D.
Ködderitzsch
,
H.
Ebert
, and
C. H.
Back
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
167204
(
2016
).
9.
P.
Laczkowski
,
Y.
Fu
,
H.
Yang
,
J.-C.
Rojas-Sánchez
,
P.
Noel
,
V. T.
Pham
,
G.
Zahnd
,
C.
Deranlot
,
S.
Collin
,
C.
Bouard
,
P.
Warin
,
V.
Maurel
,
M.
Chshiev
,
A.
Marty
,
J.-P.
Attané
,
A.
Fert
,
H.
Jaffrès
,
L.
Vila
, and
J.-M.
George
,
Phys. Rev. B
96
,
140405(R)
(
2017
).
10.
X.
Shu
,
J.
Zhou
,
J.
Deng
,
W.
Lin
,
J.
Yu
,
L.
Liu
,
C.
Zhou
,
P.
Yang
, and
J.
Chen
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
114410
(
2019
).
11.
C.-Y.
Hu
and
C.-F.
Pai
,
Adv. Quantum Technol.
3
,
2000024
(
2020
).
12.
K. V.
De Zoya
,
S.
DuttaGupta
,
R.
Itoh
,
Y.
Takeuchi
,
H.
Ohno
, and
S.
Fukami
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
012402
(
2020
).
13.
Z. A.
Bekele
,
X.
Liu
,
Y.
Cao
, and
K.
Wang
,
Adv. Electron. Mater.
7
,
2000793
(
2021
).
14.
G. W.
Kim
,
D. D.
Cuong
,
Y. J.
Kim
,
I. H.
Cha
,
T.
Kim
,
M. H.
Lee
,
O.
Lee
,
H.
Baik
,
S. C.
Hong
,
S. H.
Rhim
, and
Y. K.
Kim
,
NPG Asia Mater.
13
,
60
(
2021
).
15.
P.
Wang
,
A.
Migliorini
,
S.-H.
Yang
,
J.-C.
Jeon
,
I.
Kostanovskiy
,
H.
Meyerheim
,
H.
Han
,
H.
Deniz
, and
S. S. P.
Parkin
,
Adv. Mater.
34
,
2109406
(
2022
).
16.
C.-Y.
Hu
,
Y.-F.
Chiu
,
C.-C.
Tsai
,
C.-C.
Huang
,
K.-H.
Chen
,
C.-W.
Peng
,
C.-M.
Lee
,
M.-Y.
Song
,
Y.-L.
Huang
,
S.-J.
Lin
, and
C.-F.
Pai
,
ACS Appl. Electron. Mater.
4
,
1099
(
2022
).
17.
Q.
Liu
,
J.
Li
,
L.
Zhu
,
X.
Lin
,
X.
Xie
, and
L.
Zhu
,
Phys. Rev. Appl.
18
,
054079
(
2022
).
18.
L.
Zhu
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Rev.
8
,
031308
(
2021
).
19.
J. J.
Colin
,
G.
Abadias
,
A.
Michel
, and
C.
Jaouen
,
Acta Mater.
126
,
481
(
2017
).
20.
A.
Chattaraj
,
M.
Balal
,
A. K.
Yadav
,
S. R.
Barman
,
A. K.
Sinha
,
S. N.
Jha
,
S.
Joulie
,
V.
Serin
,
A.
Claverie
,
V.
Kumar
, and
A.
Kanjilal
,
Sci. Rep.
10
,
14718
(
2020
).
21.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
DuttaGupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
,
535
(
2016
).
22.
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
).
23.
Y.
Ou
,
S.
Shi
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. B
93
,
220405(R)
(
2016
).
24.
M. D.
Stiles
and
A.
Zangwill
,
Phys. Rev. B
66
,
014407
(
2002
).
25.
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
).
26.
X.
Fan
,
A. R.
Mellnik
,
W.
Wang
,
N.
Reynolds
,
T.
Wang
,
H.
Celik
,
V. O.
Lorenz
,
D. C.
Ralph
, and
J. Q.
Xiao
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
122406
(
2016
).
27.
C. O.
Avci
,
K.
Garello
,
M.
Gabureac
,
A.
Ghosh
,
A.
Fuhrer
,
S. F.
Alvarado
, and
P.
Gambardella
,
Phys. Rev. B
90
,
224427
(
2014
).
28.
R.
Hasegawa
,
J. Magn. Magn. Mater.
215–216
,
240
(
2000
).
29.
S.
Ikeda
,
J.
Hayakawa
,
Y.
Ashizawa
,
Y. M.
Lee
,
K.
Miura
,
H.
Hasegawa
,
M.
Tsunoda
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
082508
(
2008
).
30.
G.-M.
Choi
,
B.-C.
Min
, and
K.-H.
Shin
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
202503
(
2010
).
31.
R.
Itoh
,
Y.
Takeuchi
,
S.
DuttaGupta
,
S.
Fukami
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
242404
(
2019
).
32.
S.
Kim
,
H.-W.
Lee
, and
G.-M.
Choi
, “Giant spin-orbit torque in sputter-deposited Bi films,”
Adv. Sci.
230381
(published online
2023
).
33.
C.-P.
Pai
,
Y.
Ou
,
L. H.
Vilea-Leão
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. B
92
,
064426
(
2015
).
You do not currently have access to this content.