[논문 리뷰] Speed limit of FePt spin dynamics on femtosecond timescales

Johannes Mendil, P. Nieves외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 13.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 2인용 수 55

한 줄 요약

이 연구는 펄스 레이저에 의해 강한 피코초 레이저 조사로 인해 흡수된 열에 의해 Curie 온도 근처에서 고전자 온도가 발생함에 따라, 수직 자기이방성이 있는 FePt에서 초고속 비자화가 유형 I(빠른 복구)에서 유형 II(느린 두 번째 비자화) 역학으로 전이됨을 밝혀냈다. 이 전이는 자기화의 임계 변동성에 의해 유도되며, 비결정적인 스핀 역학으로 인해 열보조 자기기록의 기본 속도 제한을 초래한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 피코초 레이저 조사 조건에서 수직 자기이방성이 있는 FePt의 초고속 자화 역학을 이해하기 위해.
• 레이저 조사량에 따라 FePt이 유형 I 또는 유형 II 비자화 행동을 나타내는지 확인하기 위해.
• FePt에서 유형 I와 유형 II 역학 간의 전이를 이끄는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 열보조 자기기록에서 스위칭 속도를 제한하는 전자 온도와 임계 변동성의 역할을 규명하기 위해.

제안 방법

• 연속적인 FePt 박막 및 입자형 FePt 기록 매체에서 초고속 자화 역학을 측정하기 위해 시간해상 분辨 자기광학 케러 효과(TR-MOKE)를 사용하였다.
• 전자 및 격자 온도 변화의 시뮬레이션을 위해 랑두-리프시츠-블로흐(LLB) 마이크로자기 모델을 이온도 모델(2T)과 결합하였다.
• 전자 온도의 영향을 분리하기 위해 두 가지 파라미터 세트를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다: 하나는 고전자 온도(최대 1000 K)를 위한 것이고, 다른 하나는 저전자 온도(최대 100 K)를 위한 것이었다.
• 반사도, 전자 온도, 비자화 시간 상수의 실험 데이터를 사용하여 LLB-2T 모델을 校정하였다.
• 모델을 사용하여 레이저 조사량과 전자 온도에 따른 비자화 역학의 의존성을 분석하였다.
• Curie 온도 근처의 임계 변동성이 관련 길이 척도의 발산과 느려진 회복 시간을 통해 유형 II 행동의 발생과 연결되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 조사량을 변화시킬 때 FePt에서 유형 I에서 유형 II로의 초고속 비자화 역학 전이가 발생하는가?
• RQ2 FePt에서 유형 I에서 유형 II 행동으로의 전이를 유도하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 전자 온도는 FePt의 비자화 역학과 스위칭 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Curie 온도 근처의 임계 변동성이 FePt에서 자기기록 속도를 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 LLB-2T 모델은 실제로 관측된 FePt의 유형 I과 유형 II 역학 간 전이를 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 레이저 조사량이 증가함에 따라 실험적으로 FePt에서 유형 I에서 유형 II 비자화 행동으로의 전이가 관측되었으며, 고조사량에서 두 번째 비자화 단계가 지배적이 되었다.
• 전자가 Curie 온도(650 K)에 가까운 온도에 도달할 때 전이가 유도되며, 이는 자화의 임계 변동성으로 이어진다.
• 고전자 온도 조건에서 비자화 시간 τM은 0.2 ps에서 0.3 ps로 증가하였고, 비자화도 ΔM/M(300K)는 0.05에서 0.7로 증가하여 강한 조사량 의존성이 있음을 나타냈다.
• LLB-2T 모델은 높은 전자 온도 조건(최대 1000 K)에 해당하는 파라미터를 사용할 때에만 실험 결과의 전이를 정확히 재현하였으며, 저전자 온도 조건에서는 그렇지 않았다.
• 모델 분석 결과, 유형 II 행동로의 전이는 스핀 전류 효과가 아니라, 기판과 캡 레이어를 분리함으로써 이러한 기여를 최소화한 조건에서도 관찰되었으며, 이는 스핀 전류 효과가 원인이 아님을 시사한다.
• 이 연구는 Curie 온도 근처의 임계 변동성이 초고속 자기기록의 속도 제한의 근본 원인임을 규명하였으며, 이는 비결정적인 분할에 의한 동적 스핀 진동수의 생성 때문임을 밝혔다.