[論文レビュー] Speed limit of FePt spin dynamics on femtosecond timescales

Johannes Mendil, P. Nieves+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2013

Magnetic properties of thin films参考文献 2被引用数 55

ひとこと要約

本研究は、強力なフェムト秒レーザー励起によってCurie温度付近で高い電子温度が発生するため、垂直磁気異方性を有するFePtにおける超高速磁化消去が、速い回復を示すタイプIから、遅い2番目の磁化消去を示すタイプIIへと遷移することを明らかにした。この遷移は磁化の臨界揺らぎによって駆動され、非決定的スピンダイナミクスに起因して、熱助磁気記録の根本的な速度制限をもたらす。

ABSTRACT

Magnetization manipulation is becoming an indispensable tool for both basic and applied research. Theory predicts two types of ultrafast demagnetization dynamics classified as type I and type II. In type II materials, a second slower process takes place after the initial fast drop of magnetization. In this letter we investigate this behavior for FePt recording materials with perpendicular anisotropy. The magnetization dynamics have been simulated using a thermal micromagnetic model based on the Landau-Lifshitz-Bloch equation. We identify a transition to type II behavior and relate it to the electron temperatures reached by the laser heating. This slowing down is a fundamental limit to reconding speeds in heat assisted reversal.

研究の動機と目的

• フェムト秒レーザー励起下における垂直磁気異方性を有するFePtの超高速磁化ダイナミクスを理解すること。
• レーザー照射エネルギーデンシティに応じて、FePtがタイプIまたはタイプIIの磁化消去行動を示すかどうかを特定すること。
• FePtにおけるタイプIとタイプIIのダイナミクス間の遷移を引き起こす物理的メカニズムを同定すること。
• 電子温度と臨界揺らぎが、熱助磁気記録におけるスイッチング速度の制限に果たす役割を確立すること。

提案手法

• 連続的FePt薄膜およびグラニュラーFePt記録媒体における超高速磁化ダイナミクスを測定するために、時間分解磁気光学カー効果（TR-MOKE）が用いられた。
• 電子温度と格子温度の時間的変化をシミュレートするために、ランダウ＝リフシッツ＝ブロッホ（LLB）微視的磁気モデルと二温度（2T）モデルが結合された。
• 電子温度の影響を分離するために、高電子温度（最大1000 K）と低電子温度（最大100 K）の2つのパラメータセットを用いたシミュレーションが実施された。
• 反射率、電子温度、磁化消去時間定数の実験データを用いて、LLB-2Tモデルをキャリブレーションした。
• モデルを用いて、レーザー照射エネルギーデンシティおよび電子温度に依存する磁化消去ダイナミクスの依存性を分析した。
• 臨界温度付近での臨界揺らぎは、相関長の発散と緩和時間の遅れを通じて、タイプII行動の発生と関連づけられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー照射エネルギーデンシティを変化させた場合、FePtはタイプIからタイプIIへの超高速磁化消去ダイナミクスの遷移を示すか？
• RQ2 FePtにおけるタイプIからタイプIIへの遷移を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ3 電子温度は、FePtにおける磁化消去ダイナミクスおよびスイッチング速度にどのように影響するか？
• RQ4 Curie温度付近での臨界揺らぎが、FePtにおける磁気記録速度にどの程度制限をもたらすか？
• RQ5 LLB-2Tモデルは、FePtにおけるタイプIとタイプIIのダイナミクス間の観測された遷移を正確に再現できるか？

主な発見

• レーザー照射エネルギーデンシティが増加するに従い、実験的にFePtにおけるタイプIからタイプIIへの磁化消去行動の遷移が観察された。高エネルギーデンシティ領域では、2番目の磁化消去段階が支配的となった。
• この遷移は、電子温度がCurie温度（650 K）に近づいた際に発生し、磁化の臨界揺らぎが原因である。
• 高電子温度領域では、磁化消去時間τMが0.2 psから0.3 psに増加し、磁化消去度ΔM/M(300K)が0.05から0.7に上昇した。これは強い照射エネルギーデンシティ依存性を示している。
• LLB-2Tモデルは、電子温度が最大1000 Kに達するパラメータセットを用いた場合にのみ、実験的遷移を正確に再現した。低電子温度パラメータでは再現できなかった。
• モデルの結果から、タイプII行動への遷移はスピン電流効果に起因するものではなく、基板やキャップ層を分離することでその寄与を最小限に抑えたことからも裏付けられた。
• 本研究では、臨界温度付近での臨界揺らぎが、非決定的スピン励起への分割に起因して、超高速磁気記録における速度制限の根本的要因であると特定した。