[論文レビュー] How to measure the local Dzyaloshinskii Moriya Interaction in Skyrmion Thin Film Multilayers

Mirko Baćani, Miguel A. Marioni+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

Magnetic properties of thin films被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、スカイメオンを形成するIr/Co/Ptマルチレイヤーにおいて、磁気フォース顕微鏡（MFM）を用いて局所的なDzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用を測定する手法を開発した。その結果、スカイメオンは、0.6 nmの範囲で±1.2原子単層のCo層厚さの不均一性によって生じる75%高いDM相互作用を示す50 nm幅の領域にピン留めされていることが明らかになった。これは、スカイメオンの移動性を確保するにはナノスケールでの層の平坦性が極めて重要であることを示している。

ABSTRACT

The current driven motion of skyrmions in MnSi and FeGe thinned single crystals could be initiated at current densities of the order of $10^6$ A/m, five orders of magnitude smaller than for magnetic domain walls. The technologically crucial step of replicating these results in thin films has not been successful to date, but the reasons are not clear. Elucidating them requires analyzing system characteristics at scales of few nm where the key Dzyaloshinskii Moriya (DM) interactions vary, and doing so in near application conditions, i.e. oxidation protected systems at room temperature. In this work's magnetic force microscopy (MFM) studies of magnetron sputtered Ir/Co/Pt multilayers we show skyrmions that are smaller than previously observed, are not circularly symmetric, and are pinned to 50 nm wide areas of 75 percent higher than average DM interaction. This finding matches our measurement of Co layer thickness inhomogeneity of the order of $\\pm$1.2 atomic monolayers per 0.6 nm layer, and indicates that layer flatness must be controlled with greater precision to preclude skyrmion pinning.

研究の動機と目的

• 理論的予測が有望であるにもかかわらず、薄膜におけるスカイメオンの駆動力による運動がボトムクリスタルと比べて非効率な理由を理解すること。
• Ir/Co/Ptマルチレイヤーにおける局所的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用がスカイメオンをピン留めする役割を特定すること。
• 酸化被覆・常温下という実用的条件下で、ナノスケールでのDM相互作用の空間的変動を測定すること。
• 観察されたスカイメオンのピン留めとCo層の原子スケールでの厚さ不均一性との相関関係を特定すること。
• MFMを用いたスカイメオン系における局所的DM相互作用の定量的測定手法を確立すること。

提案手法

• スパッタリング法で作製したIr/Co/Ptマルチレイヤーを用い、磁気フォース顕微鏡（MFM）を用いてスカイメオンの形態および空間的分布をイメージングすること。
• MFM画像の解析により、円対称性からのずれを検出し、局所的なピン留め部位を同定すること。
• スカイメオンのピン留め位置と構造的不均一性を関連付けることで、局所的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用の強さの変動を測定すること。
• 断面解析を用いてCo層の厚さ不均一性を定量的に評価し、0.6 nmの区間で±1.2原子単層の不均一性を同定すること。
• MFMで観察されたスカイメオンの挙動と構造的データを比較し、局所的DM相互作用の増強を推定すること。
• 常温・酸化被覆状態の試料を用いることで、実用デバイスへの応用可能性を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボトムクリスタルでは成功しているにもかかわらず、薄膜マルチレイヤーでは現在の駆動力によるスカイメオン運動がなぜ失敗するのか。
• RQ2 ナノスケールで薄膜全体にわたって局所的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用はどのように変動するか。
• RQ3 Co層の原子スケールでの厚さ不均一性がスカイメオンのピン留めにどの程度影響を及えるか。
• RQ4 磁気フォース顕微鏡（MFM）はスカイメオン系における局所的DM相互作用強度を信頼性を持ってマップできるか。
• RQ5 薄膜マルチレイヤーでスカイメオンを移動可能にするために必要な層の平坦度はどの程度か。

主な発見

• Ir/Co/Ptマルチレイヤーにおけるスカイメオンは、以前に観察されたものよりも小さく、非円形対称性を示している。
• スカイメオンは、平均値よりも75%高い局所的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用を示す50 nm幅の領域に強くピン留めされている。
• 観察されたピン留めは、0.6 nmの区間で±1.2原子単層のCo層厚さの不均一性と相関している。
• 本研究では、スカイメオンの移動性を制限する主要因として、局所的DM相互作用の不均一性が特定された。
• 結果から、今後のデバイスでスカイメオンのピン留めを防ぐには、原子スケールでの層の平坦性を向上させる必要があると示唆された。
• 磁気フォース顕微鏡（MFM）は、環境条件下でのスカイメオン系における局所的DM相互作用の測定に実用的であることが裏付けられた。