When an electric current passes from one ferromagnetic layer via a non-magnetic layer into another ferromagnetic layer, the spin polarization and subsequent rotation of this current can induce a transfer of angular momentum that exerts a torque on the second ferromagnetic layer1,2,3,4. This provides a potentially useful method to reverse3,5,6,7 and oscillate8 the magnetic momenta in nanoscale magnetic structures. Owing to the large current densities required to observe spin-torque-induced magnetization switching and microwave emission (∼107 A cm−2), accurately measuring the strength, or even the direction, of the associated spin torque has proved difficult. Yet, such measurements are crucial to refining our understanding of the mechanisms responsible and the theories that describe them9,10. To address this, we present quantitative experimental measurements of the spin torque in MgO-based magnetic tunnel junctions11,12,13,14 for a wide range of bias currents covering the switching currents. The results verify the occurrence of two different spin-torque regimes with different bias dependences that agree well with theoretical predictions10.

Ultrathin [Co/Pt]n and [Co/Pd]n superlattice films consisting of 0.14–0.20-nm-thick Co and Pt(Pd) layers were deposited by sputtering. A large perpendicular magnetic anisotropy [(3–9)×106 ergs/cm3] and an ideal square out-of-plane hysteresis loop were attained even for ultrathin superlattice films with a total thickness of 1.2–2.4 nm. The films were stable against annealing up to 370 °C. MgO-based perpendicular magnetic tunnel junctions with this superlattice layer as the free layer showed a relatively high magnetoresistance ratio (62%) and an ultralow resistance-area product (3.9 Ω μm2) at room temperature. The use of these films will enable the development of gigabit-scale nonvolatile memory.