[논문 리뷰] Time resolved imaging of the non-linear bullet mode within an injection-locked spin Hall nano-oscillator

Timothy Spicer, P. S. Keatley외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 23.

Magnetic properties of thin films인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 DC 및 RF 전류 주입 하에서 스핀 홀 나노진동자(SHNO)에서 비선형 '탄환 모드'를 시간 해상도를 가진 스캐닝 케러 미세현미경을 사용해 시각화한다. 높은 DC 전류에서 이동성과 크기가 증가하는 임계값 기반의 탄환 모드가 관찰되었으며, 이는 장치 중심에서 국소적 가열로 인한 스핀 토크 감소 때문일 가능성이 있다. 반면 縁부의 금(Au) 접촉으로 인한 에지 아티팩트로 인해 縦방향 MOKE 영상은 손상된다.

ABSTRACT

Time-resolved scanning Kerr microscopy has been used to image large amplitude precessional magnetization dynamics within a spin Hall nano-oscillator (SHNO). The SHNO was formed from a 4 micron diameter Py(5 nm)/Pt(6 nm) mesa defined upon a $Al_2O_3$ substrate, with triangular Au(150 nm) contacts overlaid. Injection of an RF current was used to phase lock the SHNO to the repetition rate of the laser system. Time resolved imaging revealed that injection of DC current leads to excitation of a non-linear `bullet' mode with a clear threshold behaviour, that can be separated from the small amplitude Ferromagnetic resonance (FMR) induced by the RF current. The out of plane magnetization component is readily detected by means of the polar magneto optical Kerr effect (MOKE). However images obtained by means of longitudinal MOKE measurements are dominated by an artifact arising from the edges of the Au contacts. Micromagnetic simulations suggest that the diameter of the bullet mode is significantly smaller than that of the focused laser spot. Nevertheless, as the DC current is increased above the threshold value, the image of the bullet mode is found to increase in size, suggesting that the bullet becomes increasingly mobile and exhibits significant translational motion relative to the centre of the device. This behaviour may be driven by a reduction of the spin transfer torque at the centre of the device due to heating effects.

연구 동기 및 목표

• DC 및 RF 전류 주입 하에서 스핀 홀 나노진동자(SHNO)의 비선형 자화 동역학을 시각화하기 위해.
• RF 전류에 의해 유도되는 소규모 진동수의 편미세공명(FMR) 모드와 대비하여 큰 진폭의 탄환 모드를 식별하기 위해.
• DC 전류의 함수로 탄환 모드의 공간적 변화 및 이동성에 대해 조사하기 위해.
• Au 접촉 가장자리로 인한 영상 아티팩트를 식별하고 보완하기 위해.
• 실험적 관찰 결과를 마이크로자기 모의 시뮬레이션과 연계하여 탄환 모드 행동의 기원을 이해하기 위해.

제안 방법

• 자기진동의 시간 해상도가 나노초 이하인 시간 해상도 스캐닝 케러 미세현미경을 사용하여 전자기적 자화 동역학을 영상화하였다.
• 사파이어 기판 위에 4 µm 지름의 Py(5 nm)/Pt(6 nm) 메사가 형성되었으며, 전기적 주입을 위한 삼각형 Au(150 nm) 접촉이 부착되었다.
• SHNO를 레이저 반복 주기와 동기화하기 위해 RF 전류를 주입하여 시간 해상도 영상 촬영을 가능하게 하였다.
• 수직 MOKE 구성은 외부 자기장 성분을, 횡방향 MOKE 구성은 내부 자기장 성분을 각각 감지하기 위해 사용되었다.
• 탄환 모드의 크기 및 동역학을 모델링하기 위해 마이크로자기 모의 시뮬레이션을 수행하였으며, 실험 결과와 비교하였다.
• 임계값 이상으로 DC 전류를 점진적으로 증가시켜 탄환 모드의 공간적 범위 및 이동성의 변화를 연구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계값 이상의 DC 전류가 SHNO의 탄환 모드에 어떻게 영향을 주며, 그 공간적 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 증가하는 DC 전류에 따라 관측된 탄환 모드의 명백한 크기가 증가하는 원인은 무엇인가?
• RQ3 왜 종방향 MOKE 신호는 Au 접촉 가장자리의 에지 아티팩트에 의해 지배되며, 이는 모드 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 탄환 모드가 장치 중심에 대해 얼마나 이동성 있는가?
• RQ5 국소적 가열이 스핀 전달 토크를 어떻게 변화시키며, 이로 인해 탄환 모드의 이동성은 어떻게 유도되는가?

주요 결과

• DC 전류 주입 시 탄환 모드는 명백한 임계값 행동을 보이며, RF 전류에 의해 유도되는 소규모 진동수의 FMR 모드와 뚜렷하게 다름을 확인하였다.
• 탄환 모드의 수직 자기장 성분은 극성 MOKE를 통해 명확히 감지되었으며, 이는 그가 진동하는 성질을 가짐을 확인하였다.
• 종방향 MOKE 영상은 Au 접촉 가장자리의 에지 아티팩트에 의해 지배되어 진짜 자화 동역학을 가림.
• 탄환 모드의 명백한 크기는 DC 전류가 증가함에 따라 커지며, 이는 이동성 증가 및 장치 중심에 대한 이동성 증가를 시사한다.
• 마이크로자기 모의 시뮬레이션 결과, 탄환 모드의 크기는 레이저 스포트보다 작으며, 관측된 크기 증가는 공간적 확산이 아니라 운동에 기인함을 시사한다.
• 증가한 이동성은 국소적 가열 효과로 인해 장치 중심에서 스핀 토크가 감소함에 따라 유도된 것으로 보인다.