[論文レビュー] Electrical detection of a skyrmion in a magnetic tunneling junction

Keita Hamamoto, Naoto Nagaosa|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、磁気トンネル接合（MTJ）を用いた単一の磁気スカイム粒子の電気的検出手法を提案している。トンネル磁気抵抗（TMR）比はスカイム粒子のスピン構造とデバイス幾何学に強く依存する。スカイム粒子のサイズがデバイスサイズと同等の場合、スペクトル幅拡散が交換結合に比べて小さい限り、TMR比は30%を超える。これは、将来のスカイム粒子メモリデバイスにおける実用的読み出し機構としてMTJを有効に利用できることを示している。

ABSTRACT

We theoretically investigated a method to detect a single skyrmion in a magnetic tunneling junction (MTJ) geometry. Using the tunneling Hamiltonian approach, we calculated the tunneling magnetoresistance (TMR) ratio of the skyrmion-ferromagnet bilayer system. We show the TMR ratio is determined sorely by the spin profile of the skyrmion and geometrical factor of the device, if only the system is reasonably clean such that the spectral broadening is smaller than the exchange coupling between the local and the itinerant magnetic moment. The TMR ratio in that case can amount to $30\%$ or higher when the diameter of the skyrmion is as large as the size of the device. Since this criterion is easily achievable in real systems, MTJ geometry can be a good candidate of the electrical detection of a single skyrmion i.e., the reading process of the information in the future skyrmionics memory devices.

研究の動機と目的

• デバイス適合幾何学における単一スカイム粒子の完全に電気的検出手法の開発。
• 高価で高速な動的挙動に不適切な従来のイメージング技術の限界を克服すること。
• MTJにおけるTMRがスカイム粒子存在の信頼性の高い読み出し信号として使用可能であることを示すこと。
• 実用的デバイス実装に向け、TMR比が30%を超える条件を特定すること。
• 電子の伝播およびスペクトル幅拡散がMTJ構造内でのスカイム粒子検出可能性に与える役割を明確にすること。

提案手法

• 本研究では、スカイム粒子層と完全に偏極したフェアロマグネティック層から成る二次元二層モデルを採用している。
• 全ハミルトニアンには、層内二重交換項と、垂直方向の遷移のみを有する層間トンネル項が含まれる。
• トンネル電流は、トンネルハミルトニアンを用いた2次摂動論的理論により計算され、スペクトル関数およびフェルミ・デイジー統計が組み込まれている。
• 散乱過程を考慮するため、スペクトル幅拡散Σを擬似的に導入し、線形応答・絶対零度極限を用いている。
• TMR比は、スカイム粒子半径、交換結合J、およびスペクトル幅拡散Σの関数として計算されている。
• 結果の妥当性と解釈のため、局所磁化モーメントの内積に基づく簡略化モデルが用いられている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気トンネル接合（MTJ）におけるトンネル磁気抵抗（TMR）は、単一スカイム粒子の電気的検出に用いることができるか？
• RQ2 TMR比はスカイム粒子のサイズ、交換結合J、およびスペクトル幅拡散Σにどのように依存するか？
• RQ3 STMのような局所プローブと比較して、検出電極の有限サイズがトンネル電流に与える影響は何か？
• RQ4 MTJ幾何学において、TMR比が30%を超える条件は何か？
• RQ5 完全な電子構造の詳細なしに、スピンプロファイルのみからTMRをどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• スカイム粒子の直径がデバイスサイズと同等のとき、現実的な条件下でTMR比は30%を超える。
• スペクトル幅拡散Σが交換結合Jに比べて小さい限り、TMR比は主にスカイム粒子のスピンプロファイルとデバイス幾何学に依存する。
• Σ ≲ J かつスカイム粒子半径λ ≈ L/2（Lはデバイスサイズ）の条件下で、広範なパラメータ範囲においてTMR比は30%以上を維持する。
• 局所磁化モーメントの内積に基づく簡略化モデルは、広範なパrameter範囲でTMR比を正確に予測できる。
• フェアロマグネティック電極における有限サイズ効果は、STMのような局所プローブと比較してトンネル電流を顕著に変化させ、単純な局所状態密度（LDoS）記述の無効性を示している。
• MTJ幾何学は、将来のスカイム粒子メモリデバイスにおけるスカイム粒子の電気的読み出しに実現可能かつスケーラブルな候補である。