[論文レビュー] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in Pt/CoFeB films: effect of the heavy-metal thickness

S. Tacchi, Roberto E. Troncoso+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2016

Magnetic properties of thin films被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、ブリルアン光散乱（BLS）分光法を用いて、Pt/CoFeB超薄膜における厚さ依存性界面ジアロシンスクイ・モリヤ相互作用（DMI）を調査した。DMIの強さはPtの厚さに応じて増加し、2 nmを超えると約0.45 mJ/m²で飽和することを示した。これは、スピン軌道カップリングによって媒介される重金属内での電子の跳躍に起因する。この結果は3サイト間接交換モデルによって説明され、重金属層の設計によってキラルスピン構造を制御可能となる。

ABSTRACT

We report the observation of a Pt layer thickness dependence on the induced interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in ultra-thin Pt($d_{ ext{Pt}}$)/CoFeB films. Taking advantage of the large spin-orbit coupling of the heavy metal, the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction is quantified by Brillouin light scattering measurements of the frequency non-reciprocity of spin-waves in the ferromagnet. The magnitude of the induced Dzyaloshinskii-Moriya coupling is found to saturate to a value $0.45$ mJ$/$m${}^2$ for Pt thicknesses larger than $\sim 2$ nm. The experimental results are explained by analytical calculations based on the 3-site indirect exchange mechanism that predicts a Dzyaloshinskii-Moriya interaction at the interface between a ferromagnetic thin layer and a heavy metal. Our findings open up a way to control and optimize chiral effects in ferromagnetic thin films through the thickness of the heavy metal layer.

研究の動機と目的

• Pt/CoFeBヘテロ構造におけるPt層厚さに依存する界面ジアロシンスクイ・モリヤ相互作用（DMI）の依存関係を調査すること。
• スピン波周波数の非対称性を測定するブリルアン光散乱（BLS）測定を用いて、DMIの強度を定量すること。
• Ptにおけるスピン軌道カップリングを含む3サイト間接交換機構を用いて、観測された厚さ依存性を説明すること。
• スピン拡산長がDMI結合の空間的範囲を制限する役割を特定すること。
• 重金属層の厚さ制御により、磁性薄膜におけるキラルスピン構造を設計可能とすること。

提案手法

• Ptの厚さを0〜6 nmに変化させたSi/SiO₂/Co₄₀Fe₄₀B₂₀(2 nm)/Pt(d_Pt)/Cu(3 nm)マルチレイヤーをマグネトロンスパッタリングで作製した。
• 532 nmレーザーを用いてスピン波モードを励起および検出するBLS測定を実施し、逆方向に伝搬するダモン・エシュバックモード間の周波数非対称性に注目した。
• 解析モデル Δf(k) = 2Dk sin(ka) を用いて、周波数非対称性からDMI定数Dを抽出した。ここでDはDMI定数である。
• 実験データをモデルにフィッティングし、パラメータ a = 0.25 nm, b = 0.39 nm, L₀y = 0.32 nm, n = 2.95 を用いて、d_Pt に依存するDの関数としてDを決定した。
• 3サイト間接交換機構に基づく理論的分析を行い、Ptにおけるスピン軌道カップリングがCoFeBスピンの間を媒介することでDMIが生じることを示した。
• DMIの飽和は、有効範囲を制限するスピン拡散長（約1.2–2 nm）に起因することを結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt層の厚さは、Pt/CoFeB膜における界面ジアロシンスクイ・モリヤ相互作用（DMI）の強さにどのように影響するか？
• RQ2 Pt/CoFeBヘテロ構造におけるDMIの観測された厚さ依存性の物理的起源は何か？
• RQ3 Ptにおけるスピン拡散長は、これらの系におけるDMI結合の範囲をどの程度制限するか？
• RQ4 Ptの厚さを変化させることでDMI強度を調整・飽和させることができ、その飽和値は何か？
• RQ5 3サイト間接交換機構は、観測されたDMIの厚さ依存性をどのように説明できるか？

主な発見

• 界面DMIの強さはPtの厚さが増加するにつれて増加し、2 nmを超えると約0.45 mJ/m²で飽和する。
• 飽和挙動は、電子媒介DMI結合の有効範囲を制限するPtのスピン拡散長に起因する。
• DMI強度は、約4原子層（~2 nm）のPt厚さで最大値0.45 mJ/m²に達し、以降の厚さ増加ではDMIが向上しなくなる。
• BLSで測定したスピン波の周波数非対称性は、DMIの直接的かつ定量的なプローブであり、非対称性は波数kに線形に比例する。
• 3サイト間接交換モデルは実験データをうまく説明でき、DMIがPtにおけるスピン軌道カップリングがCoFeB磁性原子間を媒介することで生じることを示した。
• DMIの有効空間的範囲は最近接スピンを超えて延びており、第3近隣スピンまで顕著な結合が確認された。これはDMIエネルギーモデル h_DM(n) = -|D_ij| s_i s_j sin(kna) によって裏付けられた。