[논문 리뷰] Coupled ferromagnetic-resonance modes and frequency enhancement in Py/FeMn bilayers under magnetic proximity effect

D. M. Polishchuk, T. I. Polek외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 27.

Magnetic properties of thin films인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 자성 근접 효과로 인해 초박판 FeMn에서 유도된 강자성 질서를 갖는 Py/FeMn 이중층에서 두 개의 결합된 강자성 공진(ferromagnetic resonance, FMR) 모드를 입증한다. FeMn 두께가 3 nm로 감소함에 따라 FMR 주파수는 고주파대역(sub-THz)으로 증가하여, 강자성 및 근접 유도 자화 간의 강한 결합을 통해 스핀트로닉스 장치에서 GHz–THz 갭을 메울 수 있는 길을 열어준다.

ABSTRACT

Ferromagnetic resonance (FMR) in exchange-coupled ferromagnet-antiferromagnet bilayers commonly shows only one resonance mode corresponding solely to the excitation of the ferromagnetic component. Here we report an observation of a simultaneous excitation of both the ferromagnetic and antiferromagnetic films in a Py/FeMn bilayer, observed as two coupled FMR modes. These modes are explained as due to a dynamic interplay between the magnetization of Py and the proximity-induced magnetization in an ultra-thin layer of nominally antiferromagnetic FeMn. We find that this proximity induced magnetization of FeMn increases with decreasing the thickness of FeMn. A concomitant increase in the FMR frequency toward the sub-THz range is observed for the bilayer with FeMn as thin as 3 nm. We explain the results as due to a competition between the intrinsic antiferromagnetic order in the FeMn film and the magnetic proximity effect induced by the Py layer. As a result, the structure transforms in to a relatively strongly-coupled ferromagnetic bilayer, with a completely different FMR spectrum, particularly near the Neel temperature of the antiferromagnetic film. Our results show that combining materials with strong and weak anti/ferromagnetic ordering can be promising for high-speed spintronic applications, which can potentially close the notoriously difficult GHz-THz gap.

연구 동기 및 목표

• 교환 결합된 Py/FeMn 이중층의 동적 자성 반응을 자성 근접 효과 하에서 조사하기 위해.
• 근접 유도 자화가 강화되었을 때 반자성 FeMn이 공진 모드를 지닐 수 있는지 확인하기 위해.
• 근접 유도 자화의 두께 의존성과 FMR 주파수에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• FeMn 이중층 헤테로구조에서 반자성에서 효과적인 강자성 거동로의 전이 조건을 규명하기 위해.
• 고속 스핀트로닉스 응용을 위한 잠재력을 평가하기 위해, 고주파대역(sub-THz) 주파수 범위에 접근할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• FMR 분광법을 사용하여 다양한 FeMn 두께를 가진 Py/FeMn 이중층의 동적 자성 반응을 탐측하였다.
• 근접 효과는 인접한 Py(퍼멀로이) 층에 의해 유도되며, 이는 초박판 FeMn 필름을 자화시킨다.
• FMR 스펙트럼의 변화를 연구하기 위해 FeMn 두께를 3 nm까지 체계적으로 변화시켰다.
• 특히 네일 온도 근처에서, FeMn 내부의 고유 반자성 질서와 근접 유도 강자성 정렬 간의 경쟁을 온도 함수로 분석하였다.
• 관측된 두 개의 결합된 FMR 모드는 Py 강자성체와 FeMn 내 근접 유도 자화의 공진적 진동으로 기인한다.
• 이론적 해석은 두 자성 시스템 간의 동적 결합에 초점이 맞춰져 있으며, 이로 인해 하이브리드 공진 모드가 발생한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Py/FeMn 이중층 내 초박판 FeMn 층이 자성 근접 효과로 인해 측정 가능한 강자성 공진을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 FeMn 두께가 근접 유도 자화의 강도와 그로 인한 FMR 모드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 3 nm 이하 체적에서 FMR 주파수는 FeMn 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 고유 반자성 질서와 근접 유도 강자성 간의 경쟁이 동적 자성 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 시스템이 고주파대역(sub-THz) 주파수에서 FMR 주파수를 지닐 수 있는가? 이는 고속 스핀트로닉스 응용에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• Py/FeMn 이중층에서 두 개의 구분 가능한 FMR 모드가 관측되어, Py 강자성체와 FeMn 내 근접 유도 자화가 동시에 자극됨을 나타낸다.
• FeMn 두께가 감소함에 따라 근접 유도 자화가 증가하여 3 nm에서 최대에 도달한다.
• 결합된 시스템의 FMR 주파수는 FeMn 두께 감소에 따라 크게 증가하며, 3 nm FeMn에서는 고주파대역(sub-THz)에 도달한다.
• 관측된 결합은 특히 네일 온도 근처에서 Py 자화와 FeMn 내 유도 강자성 질서 간의 동적 상호작용으로 기인한다.
• 고유 반자성 질서와 근접 유도 강자성 간의 경쟁으로 인해 시스템은 강력한 결합된 강자성 이중층으로 효과적으로 전환된다.
• 이러한 거동는 하이브리드 강자성-반자성 이중구조를 이용해 스핀트로닉스 장치에서 GHz–THz 갭을 메울 수 있는 실현 가능한 길을 제시한다.