[論文レビュー] Picosecond all-optical switching of magnetic tunnel junctions

Junyang Chen, Li He+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 39被引用数 36

ひとこと要約

本論文は、フェリ磁性体GdFeCo自由層を用いて、超高速磁化反転を実現する、1550 nm帯の通信帯赤外レーザーパルスを用いた磁気トンネル接合（MTJ）のピコ秒スケールの全光的スイッチングを実証している。トンネル磁気抵抗（TMR）を直接測定することで、DR/R比0.6%のスイッチングが達成され、MHzの繰り返しレートを達成し、根本的な限界が数十GHzを超えることを示しており、統合型光スピントロニクスデバイスへの重要な前進を示している。

ABSTRACT

Control of magnetism without using magnetic fields enables large-scale integration of spintronic devices for memory, computation and communication in the beyond-CMOS era. Mechanisms including spin torque transfer, spin Hall effect, and electric field or strain assisted switching have been implemented to switch magnetization in various spintronic devices. Their operation speed, however, is fundamentally limited by the spin precession time to be longer than 10-100 picoseconds. Overcoming such a speed constraint is critical for the prospective development of spintronics. Here we report the demonstration of picosecond all-optical switching of a magnetic tunnel junction (MTJ)- the building block of spintronic logic and memory -only using single telecom-band, infrared laser pulses. This first optically switchable MTJ uses ferrimagnetic GdFeCo as the free layer, and its switching is directly readout by measuring its tunneling magnetoresistance with a DR/R ratio of 0.6%. An instrument limited switching repetition rate at MHz has been demonstrated, but the fundamental limit should be higher than tens of GHz. This result represents an important step toward integrated opto-spintronic devices that combines spintronics and photonics technologies to enable ultrafast conversion between fundamental information carriers of electron spins and photons.

研究の動機と目的

• 従来のスピントロニクススイッチング機構が10–100 psのスピン進動時間によって制限される根本的な速度制限を克服すること。
• 外部磁場や電流を用いずに、磁気トンネル接合（MTJ）における磁化の全光的制御を可能にすること。
• 直接的な磁気抵抗読み出しを備えた、実用的なスピントロニクスデバイスに統合可能な、光学的にスイッチ可能なMTJの実証。
• 光子工学とスピントロニクスを統合した、超高速情報処理を実現する統合型光スピントロニクスシステムの基盤を構築すること。

提案手法

• 自由層として、光励起下での超高速脱磁化および回復ダイナミクスを示すフェリ磁性体GdFeCo層を用いたMTJ構造。
• 単一の低エネルギー通信帯赤外レーザーパルス（1550 nm）を用い、超高速脱磁化を介したスピン系の励起により、全光的スイッチングを誘発。
• スイッチング過程は、トンネル磁気抵抗（TMR）応答の測定によりリアルタイムでモニタリングされ、DR/R比0.6%が観測され、磁化状態の成功した変調が確認された。
• 装置はMHzの繰り返しレートで動作させ、実験的制限されたスイッチングレートが達成され、理論的上限は数十GHzを超えると予測された。
• 時間分解TMR測定を用いた実験セットアップにより、レーザーパルスのタイミングと磁化反転ダイナミクスの相関を分析。
• 将来的なオンチップ光スピントロニクス回路実現を想定し、既存の光子統合プラットフォームと互換性を持つように設計。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の赤外レーザーパルスのみを用いて、機能的な磁気トンネル接合における全光的スイッチングが達成可能か。
• RQ2 このような全光的MTJシステムの根本的スイッチング速度限界は何か。
• RQ3 ピコ秒スケールのスイッチングイベントにおいて、トンネル磁気抵抗を介した磁化反転が直接かつ信頼性高く読み出せるか。
• RQ4 フェリ磁性体GdFeCoを自由層として選択することで、どのように超高速スイッチングダイナミクスが実現されるか。
• RQ5 この全光的MTJが、実用的応用に向け数十ギガヘルツで動作させる可能性を有するか。

主な発見

• MTJは、1550 nmの単一赤外レーザーパルスを用いて、ピコ秒スケールのスイッチングダイナミクスを実現した。
• トンネル磁気抵抗（TMR）応答は、DR/R比0.6%の測定可能な変化を示し、磁化状態の成功した可逆的スイッチングを確認した。
• 実験的に、装置制限によるMHzのスイッチング繰り返しレートが達成され、理論的上限は数十GHzを超えると予測された。
• スイッチングメカニズムは、フェリ磁性体GdFeCo層における超高速脱磁化および回復に起因し、100 ps未満の反転時間を実現した。
• 光制御とスピントロニクスMTJの統合の実現可能性が確認され、全光的スピントロニクスメモリおよび論理デバイスの実現に向けた道筋が示された。
• 外部磁場や電流を一切用いずに動作するため、エネルギー効率が高く、高速情報処理への道筋を示している。