[論文レビュー] Ultrafast racetrack based on compensated Co/Gd-based synthetic ferrimagnet with all-optical switching

Pingzhi Li, Thomas J. Kools+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Magnetic properties of thin films被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、正確な層厚さ調整による角運動量補償を介して、室温で2000 m/sを超える超高速電流誘導ドメイン壁移動（CIDWM）および全光スイッチング（AOS）を実現した[Co/Gd]₂合成フェリ磁性マルチレイヤーにおける研究を報告している。この系は、ウェーハスケール統合に適した高効率・低消費電力の磁気スイッチングを実現し、熱処理に対しても耐性がある。

ABSTRACT

Spin-orbitronics and single pulse all-optical switching (AOS) of magnetization are two major successes of the rapidly advancing field of nanomagnetism in recent years, with high potential for enabling novel, fast and energy-efficient memory and logic platforms. Fast current-induced domain wall motion (CIDWM) and single shot AOS have been individually demonstrated in different ferrimagnetic alloys. However, the stringent requirement for their composition control makes these alloys challenging materials for wafer-scale production. Here, we simultaneously demonstrate fast CIDWM and energy efficient AOS in a synthetic ferrimagnetic system based on multilayered [Co/Gd/Co/Gd]. We firstly show that AOS is present in its full composition range. We find that current-driven domain wall velocities over 2000 m/s at room temperature, achieved by compensating the total angular momentum through layer thickness tuning. Furthermore, analytical modeling of the CIDWM reveals that Joule heating needs to be treated transiently to properly describe the CIDWM for our sub-ns current pulses. Our studies establish [Co/Gd]-based synthetic ferrimagnets to be a unique materials platform for domain wall devices with access to ultrafast single pulse AOS.

研究の動機と目的

• 超高速でエネルギー効率の良い磁気メモリ素子のための材料プラットフォームの開発。ドメインウォール移動と全光スイッチングの両方を統合することを目的とする。
• ウェーハスケールでのプロダクションおよび組成制御に課題を抱えるレアアース-遷移金属合金の限界を克服すること。
• 層厚さの調整による角運動量補償を介し、室温で高速度の電流誘導ドメインウォール移動（CIDWM）を達成すること。
• [Co/Gd]₂系の全組成範囲にわたって、1パルスによる全光スイッチング（AOS）を実証すること。
• サブナノ秒パルスにおける一時的ジュール加熱効果を正確に記述するためのモデルを確立すること。

提案手法

• Ta/Pt/[Co/Gd]₂/TaNマルチレイヤー構造をSiO₂/Si基板上に作製し、楔形状のGd層を用いてネット磁気モーメントと角運動量を調整する。
• 磁気ヒステリシスループおよびコercivityの測定に偏光磁気光学カー効果（MOKE）を用い、Gd層厚さの変化に伴う特性変化を評価する。
• 変動するレーザー照射エネルギー密度を用いた全光スイッチング（AOS）実験により、厚さ勾配に沿ったスイッチング閾値エネルギー密度をマッピングする。
• ジュール加熱に起因する一時的温度プロファイルを組み込んだ1次元ミクロ磁気モデルの構築。時間依存の電流密度と温度変化を含む。
• スピン転送トルクおよび熱的効果を記述する5つの連立微分方程式を数値的に解く。
• 動的（時間変化あり）および定常的（一定）な温度プロファイルを用いたシミュレーション結果の比較により、サブナノ秒パルスにおける一時的加熱の重要性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 [Co/Gd]₂合成フェリ磁性マルチレイヤーは、全組成可変性を有しながら、室温で超高速の電流誘導ドメインウォール移動と全光スイッチングを両立できるか？
• RQ2 層厚さ調整による角運動量補償が、[Co/Gd]₂系におけるドメインウォール速度にどのように影響するか？
• RQ3 サブナノ秒パルスにおける一時的ジュール加熱が、この系のドメインウォール移動ダイナミクスにどの程度影響を及えるか？
• RQ4 動的温度変化を含む1次元ミクロ磁気モデルは、定常温度仮定とは異なり、CIDWMを正確に記述できるか？
• RQ5 動的温度プロファイルは、定常温度近似と比較して、実験的ドメインウォール速度トレンドをよりよく再現できるか？

主な発見

• 層厚さの調整による角運動量補償を介し、[Co/Gd]₂合成フェリ磁性体で室温下で2000 m/sを超える電流誘導ドメインウォール速度を達成した。
• 全組成範囲にわたって全光スイッチング（AOS）が観測され、完全な可変性と高い耐性が示された。
• 1次元ミクロ磁気モデルは、サブナノ秒パルス下でのCIDWMを正確に記述するためには、一時的ジュール加熱を動的処理する必要があることを示した。
• 動的温度シミュレーションは、特に高電流密度領域で、定常温度近似よりも実験的速度トレンドをよりよく再現した。
• ドメインウォール幅を8 nmから12 nmに増加させることで、実験値との一致が向上したが、定性的なトレンドは変化しなかった。
• 動的加熱条件下では、電流パルス中に磁気的組成が急速に変化するため、複数の移動度領域が平均化され、ピーク速度が広がることが予測された。