[論文レビュー] Experimental observation of magnetic bobbers for a new concept of magnetic solid-state memory

Fengshan Zheng, Filipp N. Rybakov+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 37被引用数 101

ひとこと要約

この論文は、FeGe薄膜においてオフ軸電子ホログラフィーを用いてキラルボバーがスキュリオンと共存している直接観測を報告し、固定された間距離なしで磁気固体状態メモリの二進データエンコーディング方式を提案している。

ABSTRACT

The use of chiral skyrmions, which are nanoscale vortex-like spin textures, as movable data bit carriers forms the basis of a recently proposed concept for magnetic solid-state memory. In this concept, skyrmions are considered to be unique localized spin textures, which are used to encode data through the quantization of different distances between identical skyrmions on a guiding nanostripe. However, the conservation of distances between highly mobile and interacting skyrmions is difficult to implement in practice. Here, we report the direct observation of another type of theoretically-predicted localized magnetic state, which is referred to as a chiral bobber (ChB), using quantitative off-axis electron holography. We show that ChBs can coexist together with skyrmions. Our results suggest a novel approach for data encoding, whereby a stream of binary data representing a sequence of ones and zeros can be encoded via a sequence of skyrmions and bobbers. The need to maintain defined distances between data bit carriers is then not required. The proposed concept of data encoding promises to expedite the realization of a new generation of magnetic solid-state memory.

研究の動機と目的

• 従来のスキュリオンを超える局所的な磁気状態を活用したメモリアーキテクチャを動機づける。
• 薄膜のキラル磁性体において、キラルボバーがスキュリオンと共存し得ることを実験的に示す。
• 場・厚さ・幾何学がボバーとスキュリオンの安定性と読出信号に及ぼす影響を定量化する。
• スキュリオンとボバーの連続を二進ビットとして用いるデータエンコード方式を提案する。
• 高密度・低エネルギー・機械部品不要の磁気メモリアプローチの実現可能性を評価する。

提案手法

• SkTsとChBsの共存と場依存の位相シフトを予測するためにミクロ磁気シミュレーションを実施する。
• TEMでのオフ軸電子ホログラフィを用いて面内磁化成分を示す磁気位相シフトを測定する。
• E = ∫(E_ex + E_DMI + E_Z + E_d) dV の形でエネルギー寄与をパラメータ A, D, Ms を用いてモデル化する。
• FeGeを L_D ≈ 70 nm でシミュレーションし、ナノストライプにおけるSkTとChBの配置を探索する。
• T ≈ 95 K で外部場を変化させた、ウェッジ形状および厚さ固定のFeGe試料を実験する（200–400 mT）。
• 実験の位相コントラストデータをミクロ磁気予測と相関させてSkTsとChBsを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜のキラル磁性体においてキラルボバー（ChBs）は実験的に存在し得るのか、またスキュリオン（SkTs）と共存できるのか？
• RQ2 SkTsとChBsが共存し、ハロー位相信号によって個別に識別できる場と厚さの範囲は？
• RQ3 SkTsとChBsの位相シフト信号は、作用磁場と薄膜厚さにどのように依存するか？
• RQ4 固定間距離なしでSkTsとChBsの連続を二進ビットとしてエンコードするデータ記憶方式を実現できるか？
• RQ5 潜在的なレーストラック型メモリにおけるChB-SkT共存が、読み出し・書き込み・消去に与える影響は何か？

主な発見

• FeGe薄膜においてChBsがSkTsと直接共存しているのをオフ軸電子ホログラフィを用いて直接観測した。
• 位相シフト信号は、SkTs（より強い）とChBs（より弱い）を広い場領域で区別し、250–350 mT付近で明確に分離する。
• ウェッジ形試料では、2つの異なる対象タイプが対照的な位相シフトを生じ、SkTsとChBsの同定を可能にする。
• 300 mTでは、ChBのコントラストはSkTコントラストの約半分であり、理論予測と一致する。
• ChB信号は特定の場の窓と試料厚さ範囲内で持続する一方で、より高い場で崩壊する（95 Kで約400 mT）。
• 共存は、1と0の連続をSkTsとChBsの交互によって表現するデータエンコードの概念を裏付け、固定間隔の必要性を取り除く。