Investigation of artificial spiral spin configurations and their electrical properties

Abstract

In this study, we demonstrate electrical control of non-collinear spin textures and their associated physical properties by manipulating antiferromagnetic (AFM) spin alignment via spin–orbit torque (SOT). First, we show that an artificial helical spin structure can be realized in CoNiO/CoNi/CoNiO/Pt multilayers through competing exchange pinning at the top and bottom interfaces of the ferromagnetic layer. By selectively controlling one AFM layer using SOT, orthogonal pinning conditions are established, leading to a continuous rotation of spins along the thickness. The formation of the helical spin texture and its electrically switchable chirality are confirmed through magnetic hysteresis, magnetotransport, and domain imaging measurements. Next, we demonstrate deterministic and reversible electrical switching between uniform and helical spin configurations in Pt/NiO/Ni/NiO heterostructures. The two spin states are directly encoded into distinct and stable resistance levels, enabling nonvolatile resistance-state memory operation without external magnetic fields. Thickness dependent analysis reveals that the resistance contrast originates from intrinsic changes in the Ni layer associated with its spin configuration, while Brillouin light scattering measurements provide dynamic evidence of the non-collinear spin texture. Finally, we extend this concept to ferrimagnetic systems and demonstrate electrical tuning of the compensation temperature in Pt/IrMn₃/CoGd multilayers. Selective exchange coupling between IrMn₃ and Co sublattice induces a non-collinear spiral spin configuration in CoGd, resulting in a significant modulation of the compensation temperature. The magnitude of the temperature shift can be precisely controlled by the amplitude and duration of the applied SOT and is verified through both experimental measurements and mean-field calculations. Overall, this work establishes a unified approach for electrically engineering spin configurations from collinear to non-collinear states and demonstrates that spin texture itself can serve as a key parameter for controlling magnetic and transport properties. These results provide a new pathway toward spintronic devices based on controllable spin textures, including nonvolatile memory and tunable magnetic functionalities.|나선형 스핀 구조 형성 및 물성 제어

본 논문은 스핀–궤도 토크(spin–orbit torque)를 이용하여 반강자성체의 스핀 정렬을 전기적으로 제어하고, 이를 기반으로 자성층 내 나선형 스핀 구조를 인공적으로 형성하며, 그에 따른 자기 및 전기적 물성을 능동적으로 조절하는 새로운 접근을 제시한다. 먼저, CoNiO/CoNi/CoNiO 다층 구조에서 상하부 반강자성층이 서로 다른 방향으로 강자성층을 핀닝하도록 설계하여, 나선형 스핀 구조를 구현하였다. 한쪽 반강자성층을 SOT로 선택적으로 제어함으로써 나선형 스핀의 회전방향을 전기적으로 가역 제어할 수 있음을 확인하였다. 이러한 나선형 스핀 구조는 자기 이력 곡선, 자기수송, 그리고 도메인 이미징을 통해 검증되었다. 이어, Pt/NiO/Ni/NiO 구조에서는 스핀-궤도 토크를 활용하여 uniform 상태와 helical 상태 간의 결정론적이고 반복 가능한 전기적 스위칭을 구현하였다. 두 스핀 상태는 서로 다른 저항값으로 안정적으로 구분되며, 외부 자기장 없이도 유지되는 비휘발성 저항 상태를 형성한다. 또한 두께 의존성 분석을 통해 저항 변화가 스핀 구조 변화에 따른 Ni 층의 고유 비저항 변화에서 기인함을 규명하였다. 마지막으로, Pt/IrMn3/CoGd 다층 구조에서는 선택적 교환 결합을 통해 non-collinear 스핀 구조를 형성하고, 이를 기반으로 보상온도를 효과적으로 제어하였다. 특히 SOT의 세기와 인가 시간에 따라 온도 변화를 정밀하게 조절할 수 있음을 확인하였다. 결론적으로 본 연구는 반강자성 제어를 통해 스핀 배열 자체를 설계 변수로 활용하고, 전기적 수송 특성 및 열역학적 물성을 동시에 제어할 수 있음을 보여준다. 이는 비휘발성 메모리 및 차세대 스핀트로닉스 소자 설계를 위한 새로운 방향을 제시한다.