[論文レビュー] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction, surface anisotropy energy,and spin pumping at spin orbit coupled Ir/Co interface

Kim, Nam-Hui, Jung, Jinyong+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2016

Magnetic properties of thin films被引用数 76

ひとこと要約

本研究では、ブリルアン散乱（BLS）を用いて、Ir/Co界面における界面ダイアローシュキー＝モリヤ相互作用（iDMI）、表面磁気異方性、およびスピンポンプ効果を調査した。先行研究とは対照的に、Ir/CoにおけるiDMIの符号はPt/Co系と同一であり、強いスピン軌道相互作用を示すにもかかわらず、iDMIエネルギー密度は0.7 mJ/m²と小さいことが判明した。飽和磁化および垂直磁気異方性は顕著に増大し、界面における強いスピン軌道相互作用により、1.5 nmのCoではギルバート減衰定数が0.012から0.024に増加した。

ABSTRACT

The interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (iDMI), surface anisotropy energy, and spin pumping at the Ir/Co interface are experimentally investigated by performing Brillouin light scattering. Contrary to previous reports, we suggest that the sign of the iDMI at the Ir/Co interface is the same as in the case of the Pt/Co interface. We also find that the magnitude of the iDMI energy density is relatively smaller than in the case of the Pt/Co interface, despite the large strong spin-orbit coupling (SOC) of Ir. The saturation magnetization and the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) energy are significantly improved due to a strong SOC. Our findings suggest that an SOC in an Ir/Co system behaves in different ways for iDMI and PMA. Finally, we determine the spin pumping effect at the Ir/Co interface, and it increases the Gilbert damping constant from 0.012 to 0.024 for 1.5 nmthick Co.

研究の動機と目的

• Ir/Co界面における界面ダイアローシュキー＝モリヤ相互作用（iDMI）の符号および大きさを実験的に特定し、先行する矛盾する報告に挑戦すること。
• Ir/Coにおける強いスピン軌道相互作用（SOC）が垂直磁気異方性（PMA）、飽和磁化、およびスピンポンプに与える影響を調査すること。
• ブリルアン散乱（BLS）を用いてスピンポンプ効果およびそのギルバート減衰定数への影響を測定すること。
• Ir/Co界面におけるSOCがiDMI、PMA、近接効果に起因する磁化、およびスピンポンプに果たす役割の違いを明確にすること。

提案手法

• Co厚さ1〜3 nmの範囲で、Ta(4 nm)/Ir(4 nm)/Co(tCo)/AlOx(2 nm)のウェッジ形状の多層膜をSiO2基板上に作成した。
• BLSでp偏光の532 nmレーザーを用い、面内波数kx = 0.0167 nm⁻¹のダモン＝エシュバッハ表面スピン波を励起した。
• iDMIエネルギー密度を抽出するために、ストークスピークとアンチストークスピークの周波数差Δfを測定し、Δf = 2γD / (πMs kx)の式を用いた。
• iDMIの符号を確認するため、θαを-90°から+90°まで変化させた角度依存Δf測定を実施し、Δf(θα) = Δf₀ sinθαの正弦関数フィッティングを実施した。
• Keff × tCo 対 tCo の線形フィッティングから、飽和磁化（Ms）および効果的磁気異方性定数（Keff）を抽出した。
• BLS共鳴ピークの半値全幅（FWHM）からギルバート減衰定数αを特定し、tCo⁻¹ = 0に外挿することで、体積Coの減衰定数（αbulk）を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ir/Co界面における界面ダイアローシュキー＝モリヤ相互作用（iDMI）の符号および大きさは何か？ また、Pt/Coと比較してどう異なるか？
• RQ2 Irに内在する強いスピン軌道相互作用は、Coにおける垂直磁気異方性（PMA）および飽和磁化にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Ir/Co界面におけるスピンポンプ効果は、ギルバート減衰定数をどの程度増大させるか？
• RQ4 スピン軌道相互作用がiDMI、PMA、およびスピンポンプに与える寄与は、互いに依存的か、それとも独立しているか？

主な発見

• Ir/Co界面におけるiDMIエネルギー密度は0.7 mJ/m²であり、Pt/Co/AlOxの1.3 mJ/m²およびTa/Pt/Co/AlOxの1.7 mJ/m²と比較して顕著に小さい。
• Ir/CoにおけるiDMIの符号は、Pt/Co系と同一であり、以前の報告が逆符号であると主張したのとは対照的である。
• 強いスピン軌道相互作用および近接効果により、飽和磁化（Ms）および効果的垂直磁気異方性（Keff）が顕著に増大した。
• 1.5 nmのCoでは、スピンポンプ効果によりギルバート減衰定数が0.012（体積Co）から0.024に増加した。
• αのtCo⁻¹依存性から、スピンポンプが減衰定数増大の主因であることが確認され、αbulk ≈ 0.012は体積Coの値（0.011）と一致した。
• 二準位励起散乱およびiDMIに起因する減衰寄与は除外され、ライン幅の広がりの主因がスピンポンプであることが確認された。