[論文レビュー] Direct observation of magnetic droplet solitons in all-perpendicular spin torque nano-oscillators

Sunjae Chung, Q. Tuan Le+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Magnetic properties of thin films被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、やや強い垂直磁場下で、全垂直磁性トルクナノオシレーター（NC-STNO）における磁気ドロップレットソリトンの直接的な電気的および磁気的イメージング観察を初めて報告する。走査型透過X線顕微鏡（STXM）を用いて、80 nmのナノコンタクト下に、直径150 nm、周囲幅70 nmのドロップレットを直接可視化し、垂直磁化配置や強い外部磁場を必要としない安定したドロップレット形成を確認した。

ABSTRACT

Magnetic droplets are non-topological dynamical solitons that can be nucleated and sustained in nano-contact based spin torque nano-oscillators (NC-STNOs) with perpendicular anisotropy free layers. While originally predicted in all-perpendicular NC-STNOs, all experimental demonstrations have so far relied on orthogonal devices with an in-plane polarizing layer that requires a strong magnetic field for droplet nucleation. Here, we instead show the nucleation and sustained operation of magnetic droplets in all-perpendicular NC-STNOs in modest perpendicular fields and over a wide range of nano-contact size. The droplet is observed electrically as an intermediate resistance state accompanied by broadband low-frequency microwave noise. Using canted fields, which introduce a non-zero relative angle between the free and fixed layer, the actual droplet precession frequency can also be determined. Finally, the droplet size, its perimeter width, and its fully reversed core are directly observed underneath a 80 nm diameter nano-contact using scanning transmission x-ray microscopy on both the Ni and Co edges. The droplet diameter is 150 nm, i.e. almost twice the nominal size of the nano-contact, and the droplet has a perimeter width of about 70 nm.

研究の動機と目的

• 垂直磁性トルクナノオシレーター（NC-STNO）において、垂直磁化配置を必要としない磁気ドロップレットソリトンの核生成と持続的動作を示すこと。
• 従来の実験的研究が、面内偏光層や強い磁場に依存していたという限界を克服すること。
• ニッケルおよびコバルトのL3端で、走査型透過X線顕微鏡（STXM）を用いて磁気ドロップレットの空間的構造を直接イメージングすること。
• 制御された磁場環境下で、ドロップレットソリトン形成に伴う電気的特徴（中間抵抗状態および広帯域マイクロ波ノイズ）を相関させること。
• 傾けられた磁場を用いてドロップレットの進動周波数を特定し、ソリトン状態の動的挙動を検証すること。

提案手法

• タングステンターコートドライヤーを用いた磁気スパッタリング法により、SiO2/Si基板上に全垂直構造のNC-STNOを作製。全スタックにはTa/Cu/Ta/Pd種成層と、[Co/Pd]×5/Co/Cu/[Co/Ni]×4/Coマルチレイヤー構造を含む。
• 光学リソグラフィーとSiO2熱酸化によりメサを形成し、次に電子ビームリソグラフィーで円形ナノコンタクト（50–150 nm直径）をパターン形成、反応性イオンエッチングでコンタクトを開口した。
• 直流電流源、ナノボルトメータ、スペクトルアナライザー、バイアステーを用いた独自の測定セットアップにより、電気的特性を評価。直流成分とマイクロ波成分を分離した。
• BESSY IIサイクロトロン施設で、ニッケルおよびコバルトのL3吸収端での円偏光X線を用い、元素選択性を持つXMCD対比を実現したSTXM測定を実施。
• アバランチフォトダイオードとFPGAベースの処理を用いたロックイン型データ取得方式により、STXMイメージングにおける超低ノイズを達成。
• 自由層と固定層の磁化が非ゼロの角度を持つ傾けられた磁場を適用し、測定されたマイクロ波放射から実際のドロップレット進動周波数を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直磁性トルクナノオシレーター（NC-STNO）において、垂直磁化配置を必要としない状況で、磁気ドロップレットソリトンが安定して核生成され、持続的に維持可能か？
• RQ2 ドロップレットの空間的範囲および内部構造（直径、周囲幅、コア反転）は、STXMによって直接可視化された結果、どのように特定されるか？
• RQ3 ドロップレットの進動周波数は、印加磁場および磁場の角度とどのように関係するか？ また、実験的に解明可能か？
• RQ4 全垂直STNOにおけるドロップレット状態に関連する電気的特徴（抵抗状態、マイクロ波ノイズ）は何か？
• RQ5 ニッケルおよびコバルトのL3端での元素選択性を持つXMCDイメージングを用いて、ドロップレットの磁気的配置を定量的に特徴付けられるか？

主な発見

• 磁気ドロップレットソリトンは、最大240 mTのやや強い垂直磁場下で、全垂直NC-STNOにおいて直接観察された。強力な磁場や垂直磁化配置を必要としていない。
• ドロップレットの直径は150 nmと測定され、名目上の80 nmナノコンタクトサイズのほぼ2倍であり、磁気励起の顕著な空間的拡張を示している。
• ドロップレットの周囲幅は約70 nmであり、反転コアの周囲で一様なスピン進動が生じる領域を示している。
• ドロップレットコアは完全に反転しており、磁化角は160°を超えており、ナノコンタクト下の中心領域が完全に反転していることを確認した。
• 電気的測定により、中間抵抗状態および広帯域の低周波数マイクロ波ノイズが観測され、ドロップレットダイナミクスの特徴的パターンであることが判明した。
• 傾けられた磁場を用いることで、実際のドロップレット進動周波数が特定され、ソリトン状態の動的挙動が直接検証された。