[論文レビュー] Deterministic all-optical magnetization writing facilitated by non-local transfer of spin angular momentum

Youri L. W. van Hees, Paul van de Meugheuvel+2 more|TU/e Research Portal|Jan 24, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 43被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、光励起された強磁性体Co/Ni基準層からの非局所的スピン角運動量転送によって、1つのフェムト秒レーザーパルスを用いてCo/Gd二重層で決定論的な全光的磁化スイッチングを実証した。主な結果は、スピン電流誘発の対称性破れを通じた、上向きおよび下向きの磁化状態の制御可能な書き込みであり、基準層の組成を調整することで非局所的転送の実験的妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

Ever since the discovery of all-optical magnetization switching (AOS) around a decade ago, this phenomenon of manipulating magnetization using only femtosecond laser pulses has promised a large potential for future data storage and logic devices. Two distinct mechanisms have been observed, where the final magnetization state is either defined by the helicity of many incoming laser pulses, or toggled by a single pulse. What has thus far been elusive, yet essential for applications, is the deterministic writing of a specific magnetization state with a single laser pulse. In this work we experimentally demonstrate such a mechanism by making use of a spin polarized current which is optically generated in a ferromagnetic reference layer, assisting or hindering switching in an adjacent Co/Gd bilayer. We show deterministic writing of an 'up' and 'down' state using a sequence of 1 or 2 pulses, respectively. Moreover, we demonstrate the non-local origin of the effect by varying the magnitude of the generated spin current. Our demonstration of deterministic magnetization writing could provide an essential step towards the implementation of future optically addressable spintronic memory devices.

研究の動機と目的

• トグルベースのスイッチングの制限を克服し、磁性体二重層系において決定論的で1パルスによる全光的磁化スイッチングを達成すること。
• 非局所的スピン角運動量転送が制御可能な磁化スイッチングを可能にする役割を調査すること。
• 1つのレーザーパルスを用いて、上向きおよび下向きの磁化状態を信頼性高く書き込む方法を示すこと。
• 基準層の組成を変更することでスピン電流の大きさを調整し、スイッチングメカニズムの非局所的起源を実験的に検証すること。

提案手法

• 直流磁気スパッタリングを用いて、強磁性体Co/Ni基準層、Cuスパーサ、およびCo/Gd自由層を含む多層膜ヘテロ構造を形成した。
• 100 fsの線形偏光レーザーパルス（波長700 nm）を用いて全光的スイッチングを誘起し、パルスピッカーと機械的シャッタを用いて個々のパルスを選択した。
• スイッチングのしきい値fluenceは、異なるレーザーパルスエネルギーで Kerr顕微鏡像を測定し、データをガウスパルスプロファイルにフィッティングすることで決定した。
• 決定論的スイッチングを可能にする対称性破れは、Co/Ni層に光的に生成されたスピン電流に起因し、その大きさは基準層のNi膜厚さを変化させることで調整された。
• 伝搬行列法を用いた理論的モデリングにより、Co/Ni層における光吸収および磁化を計算し、しきい値fluenceギャップがスピン電流の大きさに比例することを確認した。
• ヒステリシスループの特徴付けと磁化状態の安定性の検証に、偏光磁気光学カー効果（MOKE）測定を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期磁化状態に依存せず、1つのレーザーパルスで決定論的な全光的磁化スイッチングが達成可能か？
• RQ2 非局所的スピン角運動量転送が制御可能なスイッチングを可能にする役割は何か？
• RQ3 光的に生成されたスピン電流の大きさが、スイッチングしきい値および対称性破れに与える影響は何か？
• RQ4 非トグルメカニズムにおいて、1パルスで上向きおよび下向きの磁化状態を信頼性高く書き込むことができるか？
• RQ5 観察されたスイッチング効果は、局所的交換散乱ではなく非局所的転送によるものか？

主な発見

• Co/Ni基準層からのスピン電流を活用することで、1つのフェムト秒レーザーパルスを用いてCo/Gd二重層で上向きおよび下向きの磁化状態の決定論的書き込みが達成された。
• スイッチングのしきい値fluenceギャップは実験的に28%のベースfluenceに測定され、強力でスケーラブルな効果であることが示された。
• 決定論的スイッチングを可能にする対称性破れが非局所的スピン電流転送に起因することを、基準層の組成に応じたしきい値ギャップのスケーリングから確認した。
• Co/Ni基準層のNi膜厚さを変化させることで、光的に生成されたスピン電流の大きさを調整でき、その結果、しきい値fluenceギャップもそれに応じて変化した。
• 実験データは、基準層における光吸収と磁化を組み合わせたモデルでよく説明でき、スピン電流が対称性破れに果たす役割が確認された。
• 本系は、全光的スイッチングに特徴的な2値しきい値応答を示し、将来の光スピントロニクスデバイス向けに、堅牢で制御可能なビット書き込みが可能となった。