[論文レビュー] Domain wall dynamics in stepped magnetic nanowire with perpendicular magnetic anisotropy

S. Al Risi, R. Sbiaa+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 46被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、垂直磁気異方性（PMA）を有する段付き磁性ナノワイヤを提案し、マルチビット/セルの磁気メモリにおける安定したドメインウォール（DW）ピン留めを実現する。スピン転送トルクを用いたマイクロ磁気シミュレーションにより、ワイヤーが細くかつ厚みがあるほどDW速度が向上することを示し、ドメインウォールのデピンニング電流密度（Jdep）が、異常エネルギー（Ku）および飽和磁化（Ms）の指数関数的関数として解析的にモデル化可能であることを明らかにした。これにより、低消費電力メモリ応用における高精度な調整が可能となる。

ABSTRACT

Micromagnetic simulation is carried out to investigate the current-driven domain wall (DW) in a nanowire with perpendicular magnetic anisotropy (PMA). A stepped nanowire is proposed to pin DW and achieve high information storage capacity based on multi-bit per cell scheme. The DW speed is found to increase for thicker and narrower nanowires. For depinning DW from the stepped region, the current density Jdep is investigated with emphasis on device geometry and materials intrinsic properties. The Jdep could be analytically determined as a function of the nanocontriction dimension and the thickness of the nanowire. Furthermore, Jdep is found to exponential dependent on the anisotropy energy and saturation magnetization, offering thus more flexibility in adjusting the writing current for memory applications.

研究の動機と目的

• 垂直磁気異方性（PMA）を有するナノワイヤ内のドメインウォール（DW）運動を用いた高容量磁気メモリの開発を目的とする。
• マルチビット記憶のための所定位置における安定したDWピン留めの課題を解決することを目的とする。
• デバイスの幾何形状および材料特性が、信頼性のあるメモリ応用におけるデピンニング電流密度（Jdep）に与える影響を調査することを目的とする。
• ナノワイヤの寸法および内在する磁気的パラメータに基づいてJdepを予測する解析的フレームワークを提供することを目的とする。

提案手法

• ランドウ＝リフシッツ＝ギルバート（LLG）方程式にスピン転送トルク（STT）項を含めた、OOMMFフレームワークに基づくマイクロ磁気シミュレーションを実施した。
• 長さ200 nmのナノワイヤをモデル化し、幅（w）および厚さ（tz）を変化させ、ドメインウォールをピン留めするための段付き接合（d：高さ、λ：長さ）を組み込んだ。
• ドメインウォールの駆動のため、x方向にスピン偏光電流を印加し、初期磁化は平面に垂直な負のz方向に整列させた。
• 主なパラメータを変化させた：ナノワイヤの幅および厚さ、段付き領域の寸法（d、λ）、異常エネルギー（Ku）、飽和磁化（Ms）。
• LLG方程式に準拠的および非準拠的スピン転送トルク項を併用し、電流駆動によるDWダイナミクスをモデル化した。
• Jdepのデータを指数関数的関数にフィッティングした：Jdep ∝ exp(Ku/t1) および Jdep ∝ exp(-Ms/t2)。これにより、デピンニング閾値の解析的予測が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 段付きナノワイヤの幾何形状は、PMA材料におけるドメインウォール（DW）速度およびデピンニング電流密度（Jdep）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 デピンニング電流密度（Jdep）を、ナノワイヤの寸法および材料特性の関数として解析的にモデル化できるか？
• RQ3 垂直磁気異方性（Ku）および飽和磁化（Ms）は、段付き領域におけるDWの安定性およびデピンニングにどのように影響を与えるか？
• RQ4 低消費電力メモリ動作を最適化するために、デバイスの幾何形状および材料パラメータの最適な組み合わせは何か？

主な発見

• DW速度はナノワイヤの厚さが増し、幅が小さくなるほど向上し、電流密度に対して線形的依存関係を示し、幅が大きくなるに従い指数関数的に減衰する。
• デピンニング電流密度（Jdep）は垂直磁気異方性（Ku）に対して指数関数的増加を示し、d = 25 nmの場合のフィッティングパラメータt1 = 4.5×10^5 J/m³が得られた。
• Jdepは飽和磁化（Ms）に対して指数関数的減衰を示し、d = 25 nmの場合のフィッティングパラメータt2 = 345 kA/mであった。これは高いチューナビリティを示している。
• Ku = 5.0×10^5 J/m³の場合、J = 4.1×10^11 A/m²でDWは5 ns未満にピン留めされないが、Kuが高くなる（例：10×10^5 J/m³）と安定性が顕著に向上する。
• 段付き領域におけるDWの安定化は、幾何設計（dを増やす、λを減らす）またはKuを増加・Msを低減することで実現可能である。
• 解析的モデル Jdep ∝ exp(Ku/t1) および Jdep ∝ exp(-Ms/t2) により、最適なメモリ性能を実現するためのJdepの高精度なチューニングが可能となった。