[논문 리뷰] Deterministic all-optical magnetization writing facilitated by non-local transfer of spin angular momentum

Youri L. W. van Hees, Paul van de Meugheuvel외 2명|TU/e Research Portal|2020. 01. 24.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 43인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 광학적으로 흥 excit된 페로자성 Co/Ni 기준층으로부터 비국소적 스핀 운동량 전달을 통해, 단일 펌프세컨드 레이저 펄스를 이용해 Co/Gd 이중층에서 결정적인 모든 광학적 자화 스위칭을 구현한다. 핵심 결과는 스핀 전류 유도 비대칭성으로 인해 상, 하 방향 자화 상태를 제어 가능하게 한 것으로, 기준층의 조성 조절을 통한 비국소 전달의 실험적 검증이 이루어졌다.

ABSTRACT

Ever since the discovery of all-optical magnetization switching (AOS) around a decade ago, this phenomenon of manipulating magnetization using only femtosecond laser pulses has promised a large potential for future data storage and logic devices. Two distinct mechanisms have been observed, where the final magnetization state is either defined by the helicity of many incoming laser pulses, or toggled by a single pulse. What has thus far been elusive, yet essential for applications, is the deterministic writing of a specific magnetization state with a single laser pulse. In this work we experimentally demonstrate such a mechanism by making use of a spin polarized current which is optically generated in a ferromagnetic reference layer, assisting or hindering switching in an adjacent Co/Gd bilayer. We show deterministic writing of an 'up' and 'down' state using a sequence of 1 or 2 pulses, respectively. Moreover, we demonstrate the non-local origin of the effect by varying the magnitude of the generated spin current. Our demonstration of deterministic magnetization writing could provide an essential step towards the implementation of future optically addressable spintronic memory devices.

연구 동기 및 목표

• 토글 기반 스위칭의 한계를 극복하고, 자기 이중층 시스템에서 결정적인 단일 펄스 모든 광학적 자화 스위칭을 달성하기 위해.
• 제어 가능한 자화 스위칭을 가능하게 하는 비국소적 스핀 운동량 전달의 역할을 조사하기 위해.
• 단일 레이저 펄스를 이용해 상, 하 방향 자화 상태를 신뢰성 있게 쓰는 방법을 제시하기 위해.
• 기준층 조성 조절을 통한 스핀 전류 크기 조절을 통해 비국소 기원의 스위칭 메커니즘을 검증하기 위해.

제안 방법

• DC 마그네트론 스퍼터링을 통해 제작된 다층 헤테로구조는 페로자성 Co/Ni 기준층, Cu 스퍼터, 그리고 Co/Gd 자유층을 포함한다.
• 100 fs 선형 펄스 편광 레이저 펄스(700 nm 파장)를 사용하여 모든 광학적 스위칭을 유도하였으며, 펄스 피커와 기계식 셔터를 통해 개별 펄스를 선택하였다.
• 스위칭의 임계 조도는 레이저 펄스 에너지를 변화시키며 Kerr 현미경 영상을 측정하고, 데이터를 가우시안 펄스 프로파일에 피팅하여 결정하였다.
• 결정적인 스위칭을 가능하게 하는 비대칭성은 Co/Ni 층에서 광학적으로 생성된 스핀 전류에 기인하며, 기준층의 Ni 두께를 변화시켜 그 크기를 조절하였다.
• 전달 행렬 방법을 사용한 이론적 모델링은 Co/Ni 층에서의 빛 흡수 및 자화를 계산하여, 임계 조도 갭이 스핀 전류 크기와 비례함을 확인하였다.
• 히스테리시스 루프 특성 및 자화 상태 안정성 검증을 위해 편광형 광학적 코흐 효과(MOKE) 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 자화 상태에 관계없이 단일 레이저 펄스를 이용해 결정적인 모든 광학적 자화 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 비국소적 스핀 운동량 전달이 제어 가능한 스위칭을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 광학적으로 생성된 스핀 전류의 크기가 스위칭 임계값과 비대칭성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 비토글 메커니즘에서 단일 펄스를 이용해 상, 하 방향 자화 상태를 안정적으로 쓸 수 있는가?
• RQ5 관측된 스위칭 효과는 국소적 교환 산산 분산이 아닌 비국소 전달에 기인한 것인가?

주요 결과

• Co/Ni 기준층에서 유도된 스핀 전류를 활용하여, 단일 펌프세컨드 레이저 펄스를 이용해 Co/Gd 이중층에서 상, 하 방향 자화 상태의 결정적 쓰기 기록을 달성하였다.
• 스위칭을 위한 임계 조도 갭은 실험적으로 기준 조도의 28%로 측정되어 강력하고 확장 가능한 효과임을 시사하였다.
• 결정적인 스위칭을 가능하게 하는 비대칭성은 기준층 조성에 따른 임계 갭의 스케일링을 통해 비국소적 스핀 전류 전달에서 기인함을 확인하였다.
• Co/Ni 기준층의 Ni 두께를 변화시켜 광학적으로 생성된 스핀 전류의 크기를 조절하였으며, 그 결과 임계 조도 갭도 비례적으로 변화함을 확인하였다.
• 실험 데이터는 레이저 흡수 및 기준층의 자화를 통합한 모델에 잘 맞아떨어져 스핀 전류가 비대칭성 유도에 기여함을 확인하였다.
• 시스템은 모든 광학적 스위칭 특성에 맞는 이진 임계 응답을 보이며, 향후 옵토스핀트로닉스 장치를 위한 강력하고 제어 가능한 비트 기록을 가능하게 하였다.