[论文解读] AC noise reduction based on exchange coupled grains for heat-assisted-magnetic recording: The effect of an FeRh interlayer

Christoph Vogler, Claas Abert+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2017

Chemical and Physical Properties of Materials参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出在热辅助磁记录（HAMR）的交换耦合软/硬磁性颗粒中引入FeRh中间层，显著降低交流噪声（AC noise）和抖动（jitter）。通过利用FeRh的一级相变特性，该中间层可在高温下实现强交换耦合，而在室温下实现解耦切换，使开关时间分布减少4倍，并相较于传统结构将纵向抖动降低最多30%，横向抖动降低最多50%。

ABSTRACT

High storage density and high data rate are two of the most desired properties of modern hard disk drives. Heat-assisted magnetic recording (HAMR) is believed to achieve both. Recording media, consisting of exchange coupled grains with a high and a low $T_{\mathrm{C}}$ part, were shown to have low DC noise, but increased AC noise, compared to hard magnetic single phase grains, like FePt [1]. In this work we extensively investigate the influence of an FeRh interlayer on the magnetic noise in exchange coupled grains. We find an optimal grain design that reduces the jitter in down-track direction by up to 30 % and in off-track direction by up to 50 %, depending on the head velocity, compared to the same structures without FeRh. Further, the mechanisms causing this jitter reduction are demonstrated. Additionally, we show that for ultrashort heat pulses and low write temperatures the switching time distribution of the analyzed grain structure is reduced by a factor of four, compared to the same structure without FeRh layer. This feature could be interesting for HAMR with a pulsed laser spot and could resume the discussion about this HAMR technique.

研究动机与目标

• 解决交换耦合颗粒在HAMR中高AC噪声的问题，尽管直流噪声（DC noise）较低，但其仍限制面密度提升。
• 克服在HAMR中因短时热脉冲导致高速磁头下开关不可靠的挑战。
• 探究FeRh中间层是否能同时降低AC噪声并保持高数据速率下的低DC噪声。
• 确定采用FeRh的最优颗粒设计，以最小化超短热脉冲下的抖动和开关时间分布。
• 探索FeRh集成交换耦合颗粒中实现噪声降低和开关保真度提升的物理机制。

提出的方法

• 采用粗粒度的朗道-李夫希茨-布洛克（LLB）随机模型，模拟HAMR过程中的磁化动力学。
• 将FeRh中间层建模为具有从反铁磁到铁磁一级相变特性的温度依赖交换耦合层，其在高温下呈现铁磁性。
• 使用温度依赖的阻尼参数α⊥和α∥，以捕捉自旋弛豫和热涨落行为。
• 通过脉冲激光加热模拟HAMR过程，施加短时热脉冲（约100–200 ps），并改变磁头速度。
• 通过计算不同颗粒结构下磁头足迹响应，分析切换抖动和开关时间分布。
• 将SM/FeRh/HM结构与标准SM/HM和纯FePt颗粒进行对比，以分离FeRh中间层的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统SM/HM结构相比，FeRh中间层如何降低交换耦合颗粒在HAMR中的AC噪声？
• RQ2 FeRh相变在超短热脉冲下如何最小化开关时间分布？
• RQ3 FeRh中间层是否能在高速磁头下抑制DC噪声，同时在热切换过程中保持高矫顽力？
• RQ4 纵向和横向抖动降低的物理机制是什么？
• RQ5 为实现最优噪声与抖动降低，FeRh层必须满足哪些材料约束条件？

主要发现

• SM/FeRh/HM结构相比标准SM/HM颗粒，纵向切换抖动降低最多30%，横向抖动降低最多50%，具体取决于磁头速度。
• 在超短热脉冲下，SM/FeRh/HM颗粒的开关时间分布减少为原来的四分之一，这是由于室温下实现了解耦切换。
• 抖动降低的根源在于冷却过程中冻结温度的快速上升，这与FeRh相变及增强的矫顽力密切相关。
• 当温度超过临界温度T_jump时，交换弹簧效应完全发挥作用，此时FeRh形成强铁磁耦合。
• 即使在高速磁头下，DC噪声仍保持可忽略水平，因为FeRh中间层稳定了开关过程，且未引入热噪声源。
• FeRh中间层必须在室温下保持净磁矩，并维持清晰的相变行为，因此需精确控制厚度和成分。