[論文レビュー] Chiral spin spiral in synthetic antiferromagnets probed by circular dichroism in x-ray resonant magnetic scattering

Cyril Léveillé, Samuel Flewett+7 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 45被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、合成反強磁性体（SAFs）におけるキラルスピンスパイラルの周期、キラリティ（ネール型またはブロッホ型）、およびヘンデッドネス（時計回りまたは反時計回り）を直接的・非侵襲的に特定できる、逆空間内の半整数ブラッグピークにおけるX線共鳴磁気散乱の円二色性（CD-XRMS）の有効性を示している。この手法により、Pt/CoFeB/Ruマルチレイヤーにおけるスピンスパイラルが40–300 Kの温度範囲で周期とキラリティが一定に保たれることを明らかにした。これは、ジャローシュキン＝モリウスキー（DM）相互作用と対称的交換相互作用の比が温度に依存しないことを示している。

ABSTRACT

Noncollinear chiral spin textures in ferromagnetic multilayers are at the forefront of recent research in nano-magnetism with the promise for fast and energy-efficient devices. The recently demonstrated possibilities to stabilize such chiral structures in synthetic antiferromagnets (SAF) has raised interests as they are immune to dipolar field, hence favoring the stabilization of ultra small textures, improve mobility and avoid the transverse deflections of moving skyrmions limiting the efficiency in some foreseen applications. However, such systems with zero net magnetization are hence difficult to characterize by most of the standard techniques. Here, we report that the relevant parameters of a magnetic SAF texture, those being its period, its type (N\'eel or Bloch) and its chirality (clockwise or counterclockwise), can be directly determined using the circular dichroism in x-ray resonant scattering (CD-XRMS) at half integer multilayer Bragg peaks in reciprocal space. The analysis of the dependence in temperature down to 40K allows us moreover to address the question of the temperature stability of a spin spiral in a SAF sample and of the temperature scaling of the symmetric and antisymmetric exchange interactions.

研究の動機と目的

• ゼロのネット磁化を示す合成反強磁性体（SAFs）におけるキラルスピン構造を非侵襲的かつ要素選択性をもって特徴付けるための手法を開発すること。
• MFM やローレンツTEMといった従来の手法が非磁性または弱磁性系において困難を抱える問題を克服すること。
• 半整数マルチレイヤー・ブラッグピークにおけるCD-XRMSを用いて、SAFsにおけるスピンスパイラルの周期、キラリティタイプ（ネール／ブロッホ）、およびヘンデッドネスを特定すること。
• SAFsにおけるスピンスパイラル秩序の温度安定性および対称的（A）と非対称的（D）交換相互作用のスケーリングを調査すること。

提案手法

• SOLEIL SEXTANTSビームラインのRESOXSを用いた自己放射線型回折計を用い、Fe L3端（707 eV）におけるX線共鳴磁気散乱の円二色性（CD-XRMS）を実施した。
• 左回り（CL）および右回り（CR）の円偏光X線を用いた反射幾何学的測定を行い、散乱強度をフォトダイオードまたはCCD検出器で取得した。
• 化学的周期の半分に対応する逆空間位置（QBragg/2）における強度差（CL - CR）および和（CL + CR）を分析し、反強磁性結合に起因する磁気散乱の強め合いを確認した。
• 歪み波ボーン近似（DWBA）形式とマイクロ磁気シミュレーションを組み合わせ、実験的XRMS応答をモデル化および検証した。
• 40 K から 300 K の温度依存的測定を実施し、熱的安定性を評価するとともに、交換相互作用およびDM相互作用の温度スケーリングを抽出した。
• 実験的二色性信号を理論的予測と比較し、キラリティの同定および反時計回りネール型スピンスパイラルの存在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆空間内の半整数ブラッグピークにおけるCD-XRMSは、ゼロのネット磁化を示す合成反強磁性体におけるスピンスパイラルのキラリティおよび周期を一意に特定できるか？
• RQ2 SAFsにおけるキラルスピンスパイラル秩序の温度安定性はいかほどか？ また、対称的（A）および非対称的（D）交換相互作用のスケーリングとはどのような関係にあるか？
• RQ3 SAFsにおいて、ジャローシュキン＝モリウスキー（DM）相互作用と対称的交換（A）相互作用の比は、広い温度範囲にわたり一定のままであるか？
• RQ4 CD-XRMSは、従来の手法が困難なSAFsにおけるキラル磁気構造を信頼できる非侵襲的プローブとして機能できるか？

主な発見

• QBragg/2におけるCD-XRMS信号が最大値を示し、反強磁性結合に起因する磁気散乱が周期の半分の位置で強めあうことが確認された。
• (CL - CR) 差信号の符号が、反時計回りネール型スピンスパイラルとして明確に特定可能であり、Pt/CoFeB/Ruマルチレイヤー構造と整合的であった。
• スピンスパイラル周期は40 K から 300 K の間で一定であり、この範囲でA/D比が温度に依存しないことを示している。
• A/D比が一定であることは、ジャローシュキン＝モリウスキー（DM）相互作用が、平均場理論で予測されるように、スピン磁化強度Ms(T)∼2に従って温度に比例してスケーリングすることを示唆している。
• DWBAとマイクロ磁気入力に基づくシミュレーションは、(CL + CR)強度および(CL - CR)二色性の両方において実験データと良好に一致し、手法の妥当性が裏付けられた。
• 本手法により、MFMや他の従来手法の制限を超えて、SAFsにおけるキラルスピン構造の直接的・要素選択性・非侵襲的プローブが可能となった。