[論文レビュー] Field-dependent roughness of moving domain walls in a Pt/Co/Pt magnetic thin film

María José Cortés Burgos, Pamela C. Guruciaga+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Theoretical and Computational Physics参考文献 53被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、クリープ状態下におけるPt/Co/Pt磁性薄膜内の移動するドメイン壁の場磁気依存性粗さパラメータを実験的に測定した。磁場の変化にかかわらずほぼ一定の粗さ指数 ζ = 0.74 が報告され、これはピンニング粗さと熱的粗さの領域のクロスオーバーに起因する有効値と解釈される。また、粗さ振幅が磁場の低下に伴い顕著に増加する傾向が示され、Larkin長さスケールにおける磁場依存性フラクチュエーションが示唆される。

ABSTRACT

The creep motion of domain walls driven by external fields in magnetic thin films is described by universal features related to the underlying depinning transition. One key parameter in this description is the roughness exponent characterizing the growth of fluctuations of the domain wall position with its longitudinal length scale. The roughness amplitude, which gives information about the scale of fluctuations, however, has received less attention. Albeit their relevance, experimental reports of the roughness parameters, both exponent and amplitude, are scarce. We report here experimental values of the roughness parameters for different magnetic field intensities in the creep regime at room temperature for a Pt/Co/Pt thin film. The mean value of the roughness exponent is ζ=0.74, and we show that it can be rationalized as an effective value in terms of the known universal values corresponding to the depinning and thermal cases. In addition, it is shown that the roughness amplitude presents a significant increase with decreasing field. These results contribute to the description of domain wall motion in disordered magnetic thin systems.

研究の動機と目的

• 不規則な磁性薄膜内の移動ドメイン壁の粗さパラメータ（指数および振幅）の場磁気依存性を測定すること。
• 実験報告における粗さ指数の広範なばらつきが生じる理由を解明すること。
• クリープ領域における場磁気依存性粗さ振幅の物理的起源を調査すること。
• 観測された粗さ指数を、ピンニング粗さと熱的粗さの領域のクロスオーバーに起因する有効値として解釈すること。

提案手法

• 有効ピクセルサイズ 0.936 µm の自作偏光磁気顕微鏡（PMOKE）を用いて、Pt/Co/Pt膜内のドメイン壁を像取得した。
• 室温下で、さまざまな外部磁場条件下でドメイン壁の時間遅延画像を取得した。
• 画像からドメイン壁の位置を抽出し、粗さパラメータを決定するために、変位-変位相関関数 B(r) を計算した。
• 異なる磁場強度でのデータに対して、B(r) ∼ r²ζ をフィットさせ、粗さ指数 ζ と振幅を抽出した。
• ピンニング（ζdep）と熱的粗さ（ζth）の領域間のクロスオーバーをモデル化するため、qav と r に依存する積分を含むハイブリッド関数形を用いたスケーリング理論を適用した。
• クロスオーバー関数 Ix(r) の数値的積分を用いて、測定された B(r) を有効 ζ と磁場依存振幅に関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クリープ領域において、Pt/Co/Pt膜内の移動ドメイン壁の粗さ指数 ζ は、印加磁場にどのように依存するか？
• RQ2 理論的予測とは対照的に、実験的報告における粗さ指数の値が広範囲にわたってばらつく理由は何か？
• RQ3 クリープ領域で観測された場磁気依存性粗さ振幅の起源は何か？
• RQ4 観測された粗さ指数は、明確に異なる粗さ領域のクロスオーバーに起因する有効値として理解できるか？
• RQ5 Larkin長さスケールは、ドメイン壁位置の横方向フラクチュエーションの磁場依存性にどのように寄与するか？

主な発見

• 粗さ指数 ζ は測定した磁場範囲全域でほぼ一定であり、平均値は 0.74 であった。これはクリープ領域における堅牢なスケーリング行動を示している。
• 観測された ζ = 0.74 は、普遍的平衡値ではなく、ピンニング粗さ（ζdep）と熱的粗さ（ζth）の領域間のクロスオーバーに起因する有効値であると解釈される。
• 粗さ振幅は磁場の低下に伴い顕著に増加しており、低磁場領域でより強い横方向フラクチュエーションが生じていることを示している。
• この磁場依存性振幅は、Larkin長さスケールにおけるフラクチュエーションが外部磁場に敏感であることを示唆し、粗さ振幅が磁場に依存しないという仮定に反する。
• データは、不規則性と弾性の長さスケールによる相互作用から有効粗さ指数が生じるクロスオーバーモデルを支持している。
• 本研究は、クリープ領域における粗さ指数および振幅の系統的場磁気依存性を初めて実験的に明らかにし、長年の解釈の曖昧さを解消した。