[논문 리뷰] Perpendicular magnetic anisotropy in insulating ferrimagnetic gadolinium iron garnet thin films

Hannes Maier-Flaig, Stephan Geprägs외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 26.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 절연체인 GdIG 투명 필름에서 온도를 조절하여 전기장 없이 자기 이방성 제어를 가능하게 하며, 보정 온도(T_comp ≈ 285 K) 근처에서 평면 내에서 수직 자기 이방성으로의 전환을 관찰한다. SQUID 자화 측정 및 광대역 피로자기공명(FMR)을 이용해 저자들은 효과적 이방성 자장의 부호 반전을 정량적으로 규명하고, T_comp 근처에서 비균일 브로드닝과 길버트 감쇠의 강한 온도 의존적 증가를 규명하여, 저손실 전면 광학 스위칭 장치에 잠재적인 응용 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

We present experimental control of the magnetic anisotropy in a gadolinium iron garnet (GdIG) thin film from in-plane to perpendicular anisotropy by simply changing the sample temperature. The magnetic hysteresis loops obtained by SQUID magnetometry measurements unambiguously reveal a change of the magnetically easy axis from out-of-plane to in-plane depending on the sample temperature. Additionally, we confirm these findings by the use of temperature dependent broadband ferromagnetic resonance spectroscopy (FMR). In order to determine the effective magnetization, we utilize the intrinsic advantage of FMR spectroscopy which allows to determine the magnetic anisotropy independent of the paramagnetic substrate, while magnetometry determines the combined magnetic moment from film and substrate. This enables us to quantitatively evaluate the anisotropy and the smooth transition from in-plane to perpendicular magnetic anisotropy. Furthermore, we derive the temperature dependent $g$-factor and the Gilbert damping of the GdIG thin film.

연구 동기 및 목표

• 절연체인 GdIG 투명 필름에서 외부 자기장 없이 온도에 의해 평면 내에서 수직 자기 이방성으로의 전환을 실험적으로 입증하는 것.
• 영역 및 기초 기여를 분리하는 독립적인 기술을 사용하여 자기 이방성과 그 온도 의존성을 정량화하는 것.
• GdIG에서 g인자 및 길버트 감쇠의 온도 변화를 연구하며, 특히 보정 온도 근처에서의 행동을 집중적으로 분석하는 것.
• 관측된 이방성 전이가 자기 절연체에서 전면 광학 스위칭에 유리한 조건을 제공할 수 있는지 규명하는 것.
• 광대역 FMR 스펙트럼에서 내재된 감쇠와 비균일 브로드닝 기여를 분리하는 것.

제안 방법

• 자기 히스테리시스 루프를 측정하고 온도에 따라 자화가 쉬운 축을 결정하기 위해 SQUID 자화 측정을 수행하였다.
• 광대역 피로자기공명(FMR) 분광법을 사용하여 효과적 이방성 자장, g인자, 폭 성분을 파라자성 기초 기초와 독립적으로 추출하였다.
• 주파수 의존성 Δω = 2α·ω_res + Δω₀을 사용하여 FMR 폭을 비균일 브로드닝(Δω₀)과 길버트 유사 감쇠(α)로 분리하는 모델을 적용하였다.
• FMR 공명 필드 및 주파수에서 효과적 자화 및 이방성 자장을 계산하여 이방성 변화의 정량적 분석을 가능하게 하였다.
• 관측된 이방성 전이를 순자기화 및 고위계 하위구조 기여(Gd 및 Fe 이온)의 온도 의존성과 연관지어 분석하였다.
• 브릴루아인 함수를 사용하여 Gd 하위구조 자화의 온도 변화 및 순자기화 및 이방성에 미치는 영향을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 절연체인 GdIG 투명 필름에서 외부 자기장 없이 평면 내 및 수직 구형으로의 자기 이방성 전환이 가역적으로 가능할 수 있는가?
• RQ2 효과적 이방성 자장은 온도에 따라 어떻게 변화하며, 평면 내에서 수직 이방성으로의 전이는 무엇에 의해 유도되는가?
• RQ3 GdIG에서 g인자 및 길버트 감쇠의 온도 의존성은 어떻게 되며, 보정 온도와의 관계는 어떠한가?
• RQ4 비균일 브로드닝과 내재된 감쇠가 FMR 폭에 얼마나 기여하는가? 그리고 T_comp 근처에서 이 기여는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 관측된 이방성 전이가 자기 절연체에서 전면 광학 스위칭에 적합한 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• GdIG 투명 필름에서 자기 이방성이 온도가 상승함에 따라 평면 내에서 수직으로 전환되며, 이 전이는 T_comp ≈ 285 K 근처에서 발생한다. 이는 SQUID 자화 측정 및 FMR 측정을 통해 모두 확인되었다.
• 효과적 이방성 자장은 T ≈ 190 K에서 부호가 반전되며, 이는 FMR 공명 필드 이동을 통해 직접 관측된 평면 내에서 수직 자기 이방성으로의 전환을 나타낸다.
• 비균일 폭(Δω₀)은 10 K에서 390 MHz에서 250 K에서 6350 MHz로 10배 이상 증가하며, T_comp 근처에서 최고치에 도달한다.
• 길버트 감쇠 계수 α는 T_comp 근처에서 약 10배 증가하여 내재된 스핀 완화 과정의 급격한 증가를 나타낸다.
• g인자는 온도 상승에 따라 현저히 감소하며, 이는 문헌과 일치하며 Gd 및 Fe 하위구조의 서로 다른 g인자에 기인한 것으로 기인된다.
• FMR 폭 분해 결과, 비균일 브로드닝과 길버트 유사 감쇠 모두 총 폭에 상당한 기여를 하며, 특히 후자는 T_comp 근처에서 강한 온도 의존성을 보였다.