[論文レビュー] Imaging the antiferromagnetic to ferromagnetic first order phase transition of FeRh

S. O. Mariager, Loïc Le Guyader+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2013

Magnetic properties of thin films被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial FeRh薄膜における強誘電的反強磁性（AFM）から強磁性（FM）への一次相転移を直接画像化するために、X線磁気円二色性光電子顕微鏡（XMCD PEEM）を用いた。相転移は、多数の独立したマイクロスケール未満の核化サイトから開始され、初期の磁気ドメインの配向はランダムである。その後、部分的な再配列が生じ、最終的にフェロ磁性ドメイン構造が形成されるが、熱サイクル中にはドメインピンニングは観察されなかった。

ABSTRACT

The antiferromagnetic (AFM) to ferromagnetic (FM) first order phase transition of an epitaxial FeRh thin-film has been studied with x-ray magnetic circular dichroism using photoemission electron microscopy. The FM phase is magnetized in-plane due to shape anisotropy, but the magnetocrystalline anisotropy is negligible and there is no preferred in-plane magnetization direction. When heating through the AFM to FM phase transition the nucleation of the FM phase occurs at many independent nucleation sites with random domain orientation. The domains subsequently align to form the final FM domain structure. We observe no pinning of the FM domain structure.

研究の動機と目的

• FeRhにおける一次相転移である反強磁性（AFM）から強磁性（FM）への相転移の微視的ダイナミクスを直接可視化すること。
• 遷移温度を通過する熱サイクル中に、核化機構およびドメインの進化を調査すること。
• 繰り返し相転移の過程で磁気ドメイン構造がピン留めされているか、動的に再組織化しているかを特定すること。
• 局所的な不均一性および異方性が相転移経路をどのように導くかを評価すること。
• 特に、AFMドメインとFMドメイン構造の間には一意の変換経路が存在するかを検討すること。

提案手法

• 空間分解能約50 nmで磁気コントラストを得るため、X線磁気円二色性（XMCD）と光電子顕微鏡（PEEM）を組み合わせた手法を採用した。
• 遷移温度（約105 °C）をゆっくり加熱および冷却する過程で、温度依存性XMCD PEEM画像を取得した。
• X05LAビームラインでのX線回折（XRD）を用いて、表面垂直方向の格子定数の拡張を含む構造的変化を確認した。
• さまざまな温度でのドメインパターンを分析し、FM相の核化、成長、再配列を追跡した。
• 初期加熱段階と最終冷却段階の画像を比較することで、AFM-FMドメイン間の対応関係が一意に存在しないことを推察した。
• PEEM分解能を保持するため、外部磁場を避けて、内在的な熱的核化ダイナミクスに焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeRh薄膜におけるAFMからFMへの相転移時、FMドメインはどのように核化するか？
• RQ2 熱サイクル中に生成されたFMドメインはピン留めされているか、動的に再組織化しているか？
• RQ3 AFMとFMドメイン構造を結ぶ優先的または一意の経路が存在するか？
• RQ4 局所的な不均一性が不均一核化を促進する役割を果たすか？
• RQ5 形状異方性および磁気異方性が最終的なドメイン形態にどのように影響を与えるか？

主な発見

• FeRhにおけるAFMからFMへの相転移は、多数の独立的かつマイクロスケール未満の核化サイトから開始され、初期のドメイン配向はランダムである。
• 最終的なFMドメイン構造は、初期に相関のないドメインの部分的再配列によって形成されており、事前に存在する核からの成長ではなく、動的再組織化を示している。
• 繰り返し熱サイクル中にドメインピンニングは観察されず、ドメイン壁の高い移動度と可逆的ダイナミクスを示している。
• 優位な面内磁化方向がないことから、磁気的異方性は無視できるほど小さく、面内磁化は形状異方性が支配的であることが確認された。
• 核化は膜全体のさまざまな位置で発生しており、不純物に起因する自由エネルギーの局所的変動が不均一核化を駆動している可能性がある。
• 本研究で観察された相転移ダイナミクスは、超短パルスレーザー誘発相転移と類似しており、ピコ秒および秒スケールの両方で共通の熱的核化メカニズムが働く可能性を示唆している。