Spin–orbit torque induced ferromagnetic magnetization switching brought by injecting a charge current into strong spin–orbit-coupling materials is an energy-efficient writing method in emerging magnetic memories and spin logic devices. However, because of the short spin coherence length in ferromagnetic layers, the interfacial effective spin–orbit torque typically leads to high critical current density for switching thick ferromagnet, which goes against low-power and high-density requirements. Here, we experimentally demonstrate efficient bulk spin–orbit torque-driven perpendicular magnetization switching under relatively low critical current density in thick Pt/Co multilayers with gradient-induced symmetry breaking. Through tuning the thickness gradient of Pt, the spin–orbit torque efficiency and switching chirality can be highly controlled, which also indicates that net spin current arises from gradient. Meanwhile, x-ray absorption spectroscopy results reveal that the atomic intermixing can significantly enhance the spin–orbit torque efficiency through improving the strength of spin–orbit-coupling of Pt. We also establish a micromagnetic model by taking both gradient-induced and intermixing-enhanced spin–orbit torque into account to well describe the experimental observations. This work would blaze a promising avenue to develop novel spin–orbit torque devices for high-performance spintronic memory and computation systems.

1.
L.
Liu
,
O. J.
Lee
,
T. J.
Gudmundsen
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
096602
(
2012
).
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
193
(
2011
).
3.
I. M.
Miron
,
G.
Gaudin
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Mater.
9
,
230
234
(
2010
).
4.
Z.
Wang
,
H.
Cheng
,
K.
Shi
,
Y.
Liu
,
J.
Qiao
,
D.
Zhu
,
W.
Cai
,
X.
Zhang
,
S.
Eimer
,
D.
Zhu
,
J.
Zhang
,
A.
Fert
, and
W.
Zhao
,
Nanoscale
12
,
15246
15251
(
2020
).
5.
H.
Yang
,
B.
Zhang
,
X.
Zhang
,
X.
Yan
,
W.
Cai
,
Y.
Zhao
,
J.
Sun
,
K. L.
Wang
,
D.
Zhu
, and
W.
Zhao
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
034004
(
2019
).
6.
Z.
Zheng
,
Y.
Zhang
,
X.
Feng
,
K.
Zhang
,
J.
Nan
,
Z.
Zhang
,
G.
Wang
,
J.
Wang
,
N.
Lei
,
D.
Liu
,
Y.
Zhang
, and
W.
Zhao
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
044032
(
2019
).
7.
R.
Ramaswamy
,
J. M.
Lee
,
K.
Cai
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
031107
(
2018
).
8.
S.
Peng
,
D.
Zhu
,
J.
Zhou
,
B.
Zhang
,
A.
Cao
,
M.
Wang
,
W.
Cai
,
K.
Cao
, and
W.
Zhao
,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1900134
(
2019
).
9.
S.-H. C.
Baek
,
K.-W.
Park
,
D.-S.
Kil
,
Y.
Jang
,
J.
Park
,
K.-J.
Lee
, and
B.-G.
Park
,
Nat. Electron.
1
,
398
403
(
2018
).
10.
M.
Wang
,
W.
Cai
,
D.
Zhu
,
Z.
Wang
,
J.
Kan
,
Z.
Zhao
,
K.
Cao
,
Z.
Wang
,
Y.
Zhang
,
T.
Zhang
,
C.
Park
,
J.-P.
Wang
,
A.
Fert
, and
W.
Zhao
,
Nat. Electron.
1
,
582
588
(
2018
).
11.
H.
Zhang
,
W.
Kang
,
L.
Wang
,
K. L.
Wang
, and
W.
Zhao
,
IEEE Trans. Electron Devices
64
,
4295
4301
(
2017
).
12.
Y.
Kim
,
X.
Fong
,
K.-W.
Kwon
,
M.-C.
Chen
, and
K.
Roy
,
IEEE Trans. Electron Devices
62
,
561
568
(
2015
).
13.
Z.
Zhang
,
Y.
Zhu
,
Y.
Zhang
,
K.
Zhang
,
J.
Nan
,
Z.
Zheng
,
Y.
Zhang
, and
W.
Zhao
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1984
1987
(
2019
).
14.
X.
Wang
,
C.
Wan
,
W.
Kong
,
X.
Zhang
,
Y.
Xing
,
C.
Fang
,
B.
Tao
,
W.
Yang
,
L.
Huang
,
H.
Wu
,
M.
Irfan
, and
X.
Han
,
Adv. Mater.
30
,
1801318
(
2018
).
15.
C.
Wan
,
X.
Zhang
,
Z.
Yuan
,
C.
Fang
,
W.
Kong
,
Q.
Zhang
,
H.
Wu
,
U.
Khan
, and
X.
Han
,
Adv. Electron. Mater.
3
,
1600282
(
2017
).
16.
H.
Cheng
,
J.
Chen
,
S.
Peng
,
B.
Zhang
,
Z.
Wang
,
D.
Zhu
,
K.
Shi
,
S.
Eimer
,
X.
Wang
,
Z.
Guo
,
Y.
Xu
,
D.
Xiong
,
K.
Cao
, and
W.
Zhao
,
Adv. Electron. Mater.
6
,
2000271
(
2020
).
17.
Z.
Zheng
,
Y.
Zhang
,
D.
Zhu
,
K.
Zhang
,
X.
Feng
,
Y.
He
,
L.
Chen
,
Z.
Zhang
,
D.
Liu
,
Y.
Zhang
,
P.
Khalili Amiri
, and
W.
Zhao
,
Chin. Phys. B
29
,
078505
(
2020
).
18.
J.
Yu
,
D.
Bang
,
R.
Mishra
,
R.
Ramaswamy
,
J. H.
Oh
,
H. J.
Park
,
Y.
Jeong
,
P.
Van Thach
,
D. K.
Lee
,
G.
Go
,
S. W.
Lee
,
Y.
Wang
,
S.
Shi
,
X.
Qiu
,
H.
Awano
,
K. J.
Lee
, and
H.
Yang
,
Nat. Mater.
18
,
29
34
(
2019
).
19.
P. F.
Carcia
,
J. Appl. Phys.
63
,
5066
5073
(
1988
).
20.
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
H.
Yamamoto
,
K.
Mizunuma
,
H. D.
Gan
,
M.
Endo
,
S.
Kanai
,
J.
Hayakawa
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
9
,
721
724
(
2010
).
21.
R. Q.
Zhang
,
L. Y.
Liao
,
X. Z.
Chen
,
T.
Xu
,
L.
Cai
,
M. H.
Guo
,
H.
Bai
,
L.
Sun
,
F. H.
Xue
,
J.
Su
,
X.
Wang
,
C. H.
Wan
,
H.
Bai
,
Y. X.
Song
,
R. Y.
Chen
,
N.
Chen
,
W. J.
Jiang
,
X. F.
Kou
,
J. W.
Cai
,
H. Q.
Wu
,
F.
Pan
, and
C.
Song
,
Phys. Rev. B
101
,
214418
(
2020
).
22.
J. W.
Lee
,
J. Y.
Park
,
J. M.
Yuk
, and
B.-G.
Park
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
044030
(
2020
).
23.
S.
DuttaGupta
,
A.
Kurenkov
,
O. A.
Tretiakov
,
G.
Krishnaswamy
,
G.
Sala
,
V.
Krizakova
,
F.
Maccherozzi
,
S. S.
Dhesi
,
P.
Gambardella
,
S.
Fukami
, and
H.
Ohno
,
Nat. Commun.
11
,
5715
(
2020
).
24.
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
,
1901681
(
2019
).
25.
J.
Finley
,
C.-H.
Lee
,
P. Y.
Huang
, and
L.
Liu
,
Adv. Mater.
31
,
1805361
(
2019
).
26.
P.
Wadley
,
B.
Howells
,
J.
Železný
,
C.
Andrews
,
V.
Hills
,
R. P.
Campion
,
V.
Novák
,
K.
Olejník
,
F.
Maccherozzi
,
S. S.
Dhesi
,
S. Y.
Martin
,
T.
Wagner
,
J.
Wunderlich
,
F.
Freimuth
,
Y.
Mokrousov
,
J.
Kuneš
,
J. S.
Chauhan
,
M. J.
Grzybowski
,
A. W.
Rushforth
,
K. W.
Edmonds
,
B. L.
Gallagher
, and
T.
Jungwirth
,
Science
351
,
587
590
(
2016
).
27.
Z.
Zheng
,
Y.
Zhang
,
V.
Lopez-Dominguez
,
L.
Sánchez-Tejerina
,
J.
Shi
,
X.
Feng
,
L.
Chen
,
Z.
Wang
,
Z.
Zhang
,
K.
Zhang
,
B.
Hong
,
Y.
Xu
,
Y.
Zhang
,
M.
Carpentieri
,
A.
Fert
,
G.
Finocchio
,
W.
Zhao
, and
P.
Khalili Amiri
,
Nat. Commun.
12
,
4555
(
2021
).
28.
M.
Tang
,
K.
Shen
,
S.
Xu
,
H.
Yang
,
S.
Hu
,
W.
,
C.
Li
,
M.
Li
,
Z.
Yuan
,
S. J.
Pennycook
,
K.
Xia
,
A.
Manchon
,
S.
Zhou
, and
X.
Qiu
,
Adv. Mater.
32
,
2002607
(
2020
).
29.
L.
Liu
,
J.
Yu
,
R.
González-Hernández
,
C.
Li
,
J.
Deng
,
W.
Lin
,
C.
Zhou
,
T.
Zhou
,
J.
Zhou
,
H.
Wang
,
R.
Guo
,
H. Y.
Yoong
,
G. M.
Chow
,
X.
Han
,
B.
Dupé
,
J.
Železný
,
J.
Sinova
, and
J.
Chen
,
Phys. Rev. B
101
,
220402(R)
(
2020
).
30.
G. A.
Bertero
,
R.
Sinclair
,
C. H.
Park
, and
Z. X.
Shen
,
J. Appl. Phys.
77
,
3953
3959
(
1995
).
31.
S.
Tsunashima
,
M.
Hasegawa
,
K.
Nakamura
, and
S.
Uchiyama
,
J. Magn. Magn. Mater.
93
,
465
468
(
1991
).
32.
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
).
33.
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
,
7514
7520
(
2016
).
34.
B.
Jinnai
,
H.
Sato
,
S.
Fukami
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
212403
(
2018
).
35.
M.
Wang
,
W.
Cai
,
K.
Cao
,
J.
Zhou
,
J.
Wrona
,
S.
Peng
,
H.
Yang
,
J.
Wei
,
W.
Kang
,
Y.
Zhang
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
,
A.
Fert
, and
W.
Zhao
,
Nat. Commun.
9
,
671
(
2018
).
36.
M.
Jiang
,
H.
Asahara
,
S.
Sato
,
S.
Ohya
, and
M.
Tanaka
,
Nat. Electron.
3
,
751
756
(
2020
).
37.
L.
Zhu
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. B
99
,
180404(R)
(
2019
).
38.
R.
Wang
,
Z.
Xiao
,
H.
Liu
,
Z.
Quan
,
X.
Zhang
,
M.
Wang
,
M.
Wu
, and
X.
Xu
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
042404
(
2019
).
39.
L.
Wang
,
R. J.
Wesselink
,
Y.
Liu
,
Z.
Yuan
,
K.
Xia
, and
P. J.
Kelly
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
196602
(
2016
).
40.
J. W.
Lee
,
Y.-W.
Oh
,
S.-Y.
Park
,
A. I.
Figueroa
,
G.
van der Laan
,
G.
Go
,
K.-J.
Lee
, and
B.-G.
Park
,
Phys. Rev. B
96
,
064405
(
2017
).
41.
Y.
Yan
,
C.
Wan
,
X.
Zhou
,
G.
Shi
,
B.
Cui
,
J.
Han
,
Y.
Fan
,
X.
Han
,
K. L.
Wang
,
F.
Pan
, and
C.
Song
,
Adv. Electron. Mater.
2
,
1600219
(
2016
).
42.
L.
Zhu
,
X. S.
Zhang
,
D. A.
Muller
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
2005201
(
2020
).
43.
M.
Jamali
,
K.
Narayanapillai
,
X.
Qiu
,
L. M.
Loong
,
A.
Manchon
, and
H.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
246602
(
2013
).
44.
H.
Tsai
,
S.
Karube
,
K.
Kondou
,
N.
Yamaguchi
,
F.
Ishii
, and
Y.
Otani
,
Sci. Rep.
8
,
5564
(
2018
).
45.
S.
Karube
,
K.
Kondou
, and
Y.
Otani
,
Appl. Phys. Express
9
,
033001
(
2016
).
46.
S. Z.
Peng
,
J. Q.
Lu
,
W. X.
Li
,
L. Z.
Wang
,
H.
Zhang
,
X.
Li
,
K. L.
Wang
, and
W. S.
Zhao
, in
2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
,
San Francisco
,
2019
), Vol.
28
, pp.
28.6.1
28.6.4
.
47.
S.
Łazarski
,
W.
Skowroński
,
J.
Kanak
,
Ł.
Karwacki
,
S.
Ziętek
,
K.
Grochot
,
T.
Stobiecki
, and
F.
Stobiecki
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
014006
(
2019
).
48.
Y.
Cao
,
Y.
Sheng
,
K. W.
Edmonds
,
Y.
Ji
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Adv. Mater.
32
,
1907929
(
2020
).
49.
J.-U.
Baek
,
S.-H.
Jung
,
H.-S.
Jun
,
K.
Ashiba
,
J.-Y.
Choi
, and
J.-G.
Park
,
IEEE Magn. Lett.
10
,
4505405
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.