[논문 리뷰] Ultrafast racetrack based on compensated Co/Gd-based synthetic ferrimagnet with all-optical switching

Pingzhi Li, Thomas J. Kools외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

Magnetic properties of thin films인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정밀한 층 두께 조절을 통한 각운동량 보상으로 인해 실온에서 2000 m/s를 초과하는 초고속 전류 유도 도메인 월드 운동(CIDWM)과 올옵티컬 스위칭(AOS)을 실현한 [Co/Gd]₂ 합성 페리자성 다층구조에서의 연구를 보고한다. 이 시스템은 웨이퍼 스케일 통합에 적합하고 열처리에 대한 내구성을 갖춘 고속·에너지 효율적인 자기 스위칭을 실현한다.

ABSTRACT

Spin-orbitronics and single pulse all-optical switching (AOS) of magnetization are two major successes of the rapidly advancing field of nanomagnetism in recent years, with high potential for enabling novel, fast and energy-efficient memory and logic platforms. Fast current-induced domain wall motion (CIDWM) and single shot AOS have been individually demonstrated in different ferrimagnetic alloys. However, the stringent requirement for their composition control makes these alloys challenging materials for wafer-scale production. Here, we simultaneously demonstrate fast CIDWM and energy efficient AOS in a synthetic ferrimagnetic system based on multilayered [Co/Gd/Co/Gd]. We firstly show that AOS is present in its full composition range. We find that current-driven domain wall velocities over 2000 m/s at room temperature, achieved by compensating the total angular momentum through layer thickness tuning. Furthermore, analytical modeling of the CIDWM reveals that Joule heating needs to be treated transiently to properly describe the CIDWM for our sub-ns current pulses. Our studies establish [Co/Gd]-based synthetic ferrimagnets to be a unique materials platform for domain wall devices with access to ultrafast single pulse AOS.

연구 동기 및 목표

• 초고속, 에너지 효율적인 자기 메모리 장치를 위한 재료 플랫폼을 개발한다.
• 웨이퍼 스케일 생산 및 조성 제어에서의 희토류-전이금속 합금의 한계를 극복한다.
• 조절 가능한 각운동량 보상으로 실온에서 고속도 전류 유도 도메인 월드 운동(CIDWM)을 실현한 합성 페리자성체에서의 연구를 목표로 한다.
• [Co/Gd]₂ 시스템의 전 구성 범위에서 단일 펄스 올옵티컬 스위칭(AOS)을 실험적으로 입증한다.
• 초나노초 이내의 전류 펄스에서 발생하는 일시적 저울 열효과를 정확히 기술하기 위해 임시 온도 프로파일을 포함한 모델을 수립한다.

제안 방법

• 타니움/ platnum/[Co/Gd]₂/TaN 다층막을 실리카/실리콘 기판에 형성하고, 네트워크 자기모멘트와 각운동량을 조절하기 위해 기울기 있는 구조를 가진 Gd 층을 포함한다.
• 다양한 Gd 두께에서 히스테리시스 루프와 항력도 측정을 위해 극성 자기광학 케러 효과(MOKE)를 사용한다.
• 변동하는 레이저 에너지 밀도를 사용한 올옵티컬 스위칭(AOS) 실험을 통해 두께 기울기 전역에서 스위칭 임계 에너지 밀도를 매핑한다.
• 일시적 온도 프로파일을 포함한 1차원 마이크로자기 모델을 개발하였으며, 시간에 따라 변화하는 전류 밀도 및 온도 변화를 수반한다.
• 스핀-전달 토크 및 열 효과를 포함한 도메인 월드 운동을 기술하는 다섯 개의 연관된 미분방정식을 수치적으로 해결한다.
• 일시적 열효과의 중요성을 평가하기 위해 동적(시간 변화) 및 정적(일정) 온도 프로파일을 사용한 시뮬레이션 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 [Co/Gd]₂ 합성 페리자성 다층구조가 구성 조절이 가능한 실온에서 초고속 전류 유도 도메인 월드 운동과 올옵티컬 스위칭을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ2 층 두께 조절을 통한 각운동량 보상이 [Co/Gd]₂ 시스템에서 도메인 월드 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초나노초 이내의 전류 펄스 동안 발생하는 일시적 저울 열효과가 이 시스템의 도메인 월드 운동 역학에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 동적 온도 변화를 포함한 1D 마이크로자기 모델이 정적 온도 가정 없이 CIDWM를 정확히 기술할 수 있는가?
• RQ5 정적 온도 근사보다 동적 온도 프로파일이 실험적 도메인 월드 속도 경향을 더 잘 재현하는가?

주요 결과

• 각운동량 보상이 이루어진 층 두께 조절을 통해 실온에서 2000 m/s를 초과하는 전류 유도 도메인 월드 속도가 [Co/Gd]₂ 합성 페리자성체에서 실현되었다.
• Gd 두께 기울기 전역에서 올옵티컬 스위칭(AOS)이 관측되어 구성 조절 가능성과 내구성이 입증되었다.
• 1D 마이크로자기 모델은 초나노초 전류 펄스 하에서 CIDWM를 정확히 기술하기 위해 일시적 저울 열을 동적으로 다루어야 한다고 나타났다.
• 고전류 밀도에서 동적 온도 시뮬레이션은 정적 온도 근사보다 실험적 속도 경향을 더 잘 재현한다.
• 도메인 월드 폭을 8 nm에서 12 nm로 증가시키면 실험적 속도와의 일치가 향상되며, 정성적 경향은 변화하지 않는다.
• 동적 가열 조건에서는 전류 펄스 기간 동안 자기 구조가 급격히 변화함에 따라 여러 이동도 영역의 평균화가 발생하여 최대 속도가 넓어진다.