[論文レビュー] Resonant state selection in synthetic ferrimagnets

Ben F. Koop, Yu. I. Dzhezherya+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Magnetic properties of thin films参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、厚さの不均衡および非対称な外部磁場バイアスを用いることで、合成フェリマグネティック（SFi）における決定的状態選択を実証している。これにより、光学的スピン共鳴モードの分割が調整可能となる。一様な外部磁場を印加することで、系の磁気的位相空間が反強磁性とフェリマグネティックな挙動の間で逆転可能となり、周波数選択的共鳴マイクロ波駆動によって、1つの反平行基底状態を特定的に励起できる。

ABSTRACT

Resonant activation of a synthetic antiferromagnet (SAF) is known to result in a dynamic running state, where the SAF's symmetric spin-flop pair continuously rotates between the two antiparallel ground states of the system, with the two magnetic moments in-phase in the so-called acoustical spin-resonance mode. The symmetry of an ideal SAF does not allow, however, to deterministically select a particular ground state using a resonant excitation. In this work, we study asymmetric SAF's, or synthetic ferrimagnets (SFi), in which the two magnetic particles are different in thickness or are biased asymmetrically with an external field. We show how the magnetic phase space of the system can be reversibly tuned, post-fabrication, between the antiferro- and ferri-magnetic behavior by exploiting these two asymmetry parameters and applying a uniform external field. We observe a splitting of the optical spin-resonance for the two ground states of the SFi system, with a frequency spacing that can be controlled by a quasistatic uniform external field. We demonstrate how the tunable magnetic asymmetry in SFi allows to deterministically select a particular ground state using the splitting of the optical spin-resonance. These results offer a new way of controlling the magnetic state of a spin-flop bilayer, currently used in such large scale applications as magnetic memory.

研究の動機と目的

• 対称的合成反強磁性体（SAFs）における非決定的スイッチングを克服するため、磁気的非対称性を導入すること。
• 外部一様磁場を用いて、プロセス後、SAF的およびSFi的状態の間で磁気的挙動を逆転可能にチューニングすること。
• スピンフロップビレイヤーにおいて、制御可能な光学的スピン共鳴分裂を用いて、特定の反平行基底状態の決定的選択を達成すること。
• SFi系において、プロセス後、個々の非対称性寄与要因（厚さおよび磁場バイアス）を定量的に同定する手法を開発すること。

提案手法

• 基準層からの非対称な渦巻き磁場（H₁^m ≠ H₂^m）と厚さの不均衡（t₁ ≠ t₂）を用いて、合成フェリマグネティック（SFi）における磁気的非対称性を設計する。
• 容易軸に沿った準静的一様外部磁場 Hₓ を印加し、二重井戦いポテンシャルの対称性をチューニングし、共鳴分裂を制御する。
• 有効減衰および共鳴周波数方程式のマクロスコピックモデルと解析的解を用いて、安定性境界を予測する。
• 式 (S15) から得られる臨界振幅条件 Ω_eff^a = 0 を解き、各AP状態における不安定性の閾値を特定し、A_c についての3次方程式を導出する。
• 非対称性およびマイクロ波振幅を考慮した有効周波数シフトから、臨界周波数 Ω_c を導出する。
• ヘッシアン行列の条件（式 S16）を用いてスイッチングおよびスピンフロップ磁場をマップし、測定されたヒステリシスから厚さおよび磁場バイアスパラメータを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合成フェリマグネティックにおける磁気的非対称性は、特定の反平行基底状態の決定的選択を可能にするか？
• RQ2 外部一様磁場は、SFi系における磁気的二重井戦いポテンシャルの対称性をどのようにチューニングするか？
• RQ3 非対称なSFi構造において、共鳴周波数分裂と印加外部磁場の関係は何か？
• RQ4 プロセス後、ヒステリシスおよび共鳴測定から、非対称性パラメータ（厚さおよび磁場バイアス）を定量的に同定できるか？
• RQ5 非対称性に起因する共鳴分裂によって、1つのAP状態のみが安定となる周波数-振幅領域は何か？

主な発見

• 非対称なSFi系において、光学的スピン共鳴が二重線に分裂し、一様な外部磁場によって周波数間隔が制御可能である。
• 臨界マイクロ波振幅 A_c ≈ 0.34（A_c² = 0.118）が特定され、これ未満では一方のAP状態が不安定化するが、他方は安定である。
• 臨界周波数 Ω_c は Ω_o²(1 - 3A_c²/4)/(1 + 5A_c²/4) として導出され、状態選択のための周波数選択的励起が可能となる。
• スピンフロップ磁場 H_sf は、一方のポテンシャル井戦いが消滅する点として特定され、系がスカイサーレート状態に遷移する。
• スイッチング磁場の差から、厚さ差 |t₁ - t₂| が |t₁ - t₂| = (H₁⁺ - H₁⁻ - H₂⁺ + H₂⁻)/(n_y - (1 + r_x)n_x) × b/(8πM_S) として抽出された。
• スイッチング磁場の平均値から、内部磁場バイアスの和 H₁^m + H₂^m = - (H₁⁺ + H₁⁻ + H₂⁺ + H₂⁻)/2 が決定された。