[논문 리뷰] Chiral spin spiral in synthetic antiferromagnets probed by circular dichroism in x-ray resonant magnetic scattering

Cyril Léveillé, Samuel Flewett외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 10.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 45인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 합성 반자성체(SAFs)에서 스핀 나선의 주기, 편향성(Néel 또는 Bloch 유형), 그리고 회전 방향(시계 또는 반시계 방향)을 직접적으로 비침습적으로 결정할 수 있도록, 구상 공간의 반정수 Bragg 피크에서 X선 공 resonance 자기산산산란(CD-XRMS)의 원추성 분광법을 활용한다. 이 방법은 Pt/CoFeB/Ru 다층막에서 스핀 나선이 40–300 K 온도 범위 동안 주기와 편향성이 일정하게 유지됨을 보여주며, 이는 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용과 대칭 교환 상호작용 간 비율이 온도에 영향을 받지 않는다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Noncollinear chiral spin textures in ferromagnetic multilayers are at the forefront of recent research in nano-magnetism with the promise for fast and energy-efficient devices. The recently demonstrated possibilities to stabilize such chiral structures in synthetic antiferromagnets (SAF) has raised interests as they are immune to dipolar field, hence favoring the stabilization of ultra small textures, improve mobility and avoid the transverse deflections of moving skyrmions limiting the efficiency in some foreseen applications. However, such systems with zero net magnetization are hence difficult to characterize by most of the standard techniques. Here, we report that the relevant parameters of a magnetic SAF texture, those being its period, its type (N\'eel or Bloch) and its chirality (clockwise or counterclockwise), can be directly determined using the circular dichroism in x-ray resonant scattering (CD-XRMS) at half integer multilayer Bragg peaks in reciprocal space. The analysis of the dependence in temperature down to 40K allows us moreover to address the question of the temperature stability of a spin spiral in a SAF sample and of the temperature scaling of the symmetric and antisymmetric exchange interactions.

연구 동기 및 목표

• 순자기모멘트가 0인 합성 반자성체(SAFs)에서 편향성 스핀 구조를 비침습적이고 원소 특이적으로 특성화하기 위한 방법 개발.
• MFM나 Lorentz TEM와 같은 전통적 기술이 비자성 또는 약자성 시스템에서 어려움을 겪는 문제를 해결하기 위한 목적.
• 반자성체에서 스핀 나선의 주기, 편향성 유형(Néel/Bloch), 그리고 반향성(시계 또는 반시계)을 반-정수 다층막 브라그 피크에서 CD-XRMS를 사용해 결정하기.
• 반자성체에서 스핀 나선 순서의 온도 안정성과 대칭(A) 및 비대칭(D) 교환 상호작용의 척도를 조사하기.

제안 방법

• SOLEIL SEXTANTS 비임계선의 RESOXS 장치를 사용하여, Fe L3 에지(707 eV)에서 동기광원 기반 회절계를 이용해 원추성 분광법을 적용한 X선 공 resonance 자기산산산란(CD-XRMS)을 수행.
• 원추성 좌측(CR) 및 우측(CR) 편광 X선을 사용한 반사 기하학적 측정을 실시하며, 산란 강도는 광다이오드 또는 CCD 검출기로 측정.
• 화학적 주기의 반절점(QBragg/2)에 해당하는 구상 공간 위치에서 강도 차이(CL - CR)와 합(CL + CR)를 분석하였으며, 이는 반자성 결합으로 인해 자기산산산란이 강화되기 때문이다.
• 왜곡된 파동 보른 근사(DWBA) 형식과 마이크로자기 시뮬레이션을 결합하여 실험적 XRMS 반응을 모델링하고 검증.
• 40 K에서 300 K까지의 온도 의존 측정을 수행하여 열적 안정성을 평가하고, 교환 및 DM 상호작용의 온도 척도를 추출.
• 실험적 원추성 분광 신호를 이론 예측과 비교하여 편향성 유형을 할당하고, 반시계 방향 Néel 유형의 스핀 나선 존재를 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반자성체에서 순자기모멘트가 0인 시스템에서, 구상 공간의 반정수 Bragg 피크에서 CD-XRMS가 스핀 나선의 편향성과 주기를 고유하게 결정할 수 있는가?
• RQ2 반자성체에서 편향성 스핀 나선 순서의 온도 안정성은 어떻게 되며, 이는 대칭(A) 및 비대칭(D) 교환 상호작용의 척도와 어떤 관련이 있는가?
• RQ3 반자성체에서 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용과 대칭 교환(A) 상호작용 간 비율이 넓은 온도 범위에서 일정하게 유지되는가?
• RQ4 CD-XRMS는 기존 기술이 실패하는 반자성체에서 편향성 자성 구조를 신뢰할 수 있고 비침습적으로 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• QBragg/2에서 CD-XRMS 신호가 최대화되어, 반자성 결합으로 인해 반화학적 주기의 반절점에서 자기산산산란이 강화됨을 확인한다.
• (CL - CR) 강도 차이의 부호는 스핀 나선이 반시계 방향 Néel 유형임을 명확하게 규명하며, Pt/CoFeB/Ru 다층막의 설계와 일치한다.
• 스핀 나선 주기는 40 K에서 300 K까지 일정하게 유지되며, 이는 A/D 비율이 이 온도 범위에서 온도에 영향을 받지 않는다는 것을 시사한다.
• A/D 비율이 일정함은 Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용이 대칭 교환(A)과 동일한 방식으로 온도에 따라 변화함을 의미하며, 평균장 이론이 예측한 바와 같이 Ms(T)∼2 의 온도 의존성을 따른다.
• DWBA와 마이크로자기 시뮬레이션을 사용한 시뮬레이션 결과는 (CL + CR) 강도와 (CL - CR) 원추성 분광 모두 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 이 방법의 타당성을 검증한다.
• 이 기술은 MFM 및 기타 전통적 방법의 한계를 극복하여, 반자성체에서 직접적이고 원소 특이적이며 비침습적인 편향성 스핀 구조 탐지가 가능하다.