[論文レビュー] Coupled ferromagnetic-resonance modes and frequency enhancement in Py/FeMn bilayers under magnetic proximity effect

D. M. Polishchuk, T. I. Polek+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Magnetic properties of thin films被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、磁気プロキシミティ効果によって誘導された強磁性秩序を示す超薄膜FeMnが存在するPy/FeMnバイレイヤーにおいて、2つの結合した強磁性共鳴（FMR）モードを実証した。FeMnの厚さが3 nmに減少すると、FMR周波数が準太赫（sub-THz）帯域に上昇し、強磁性とプロキシミティ誘導磁化の強い結合によって、スピントロニクス素子におけるGHz–THzギャップを埋める道筋が開かれる。

ABSTRACT

Ferromagnetic resonance (FMR) in exchange-coupled ferromagnet-antiferromagnet bilayers commonly shows only one resonance mode corresponding solely to the excitation of the ferromagnetic component. Here we report an observation of a simultaneous excitation of both the ferromagnetic and antiferromagnetic films in a Py/FeMn bilayer, observed as two coupled FMR modes. These modes are explained as due to a dynamic interplay between the magnetization of Py and the proximity-induced magnetization in an ultra-thin layer of nominally antiferromagnetic FeMn. We find that this proximity induced magnetization of FeMn increases with decreasing the thickness of FeMn. A concomitant increase in the FMR frequency toward the sub-THz range is observed for the bilayer with FeMn as thin as 3 nm. We explain the results as due to a competition between the intrinsic antiferromagnetic order in the FeMn film and the magnetic proximity effect induced by the Py layer. As a result, the structure transforms in to a relatively strongly-coupled ferromagnetic bilayer, with a completely different FMR spectrum, particularly near the Neel temperature of the antiferromagnetic film. Our results show that combining materials with strong and weak anti/ferromagnetic ordering can be promising for high-speed spintronic applications, which can potentially close the notoriously difficult GHz-THz gap.

研究の動機と目的

• 交換結合したPy/FeMnバイレイヤーにおける磁気プロキシミティ効果下での動的磁気応答を調査すること。
• プロキシミティ誘導磁化が強化された場合に、反強磁性であるFeMnが共鳴モードを支持できるかどうかを特定すること。
• プロキシミティ誘導磁化の厚さ依存性とFMR周波数への影響を調査すること。
• FeMnがバイレイヤー異質接合において反強磁性から効果的強磁性行動に転移する条件を同定すること。
• 高周波スピントロニクス応用の可能性を評価し、準太赫帯周波数範囲にアクセスできることを確認すること。

提案手法

• FMR分光法を用いて、異なるFeMn厚さを有するPy/FeMnバイレイヤーの動的磁気応答を測定した。
• 隣接するPy（パルマロイ）層によって磁気プロキシミティ効果が誘発され、超薄膜FeMn膜が磁化された。
• FMRスペクトルの進化を調査するため、FeMnの厚さを3 nmまで系統的に変化させた。
• 特にネール温度付近での、FeMn内蔵反強磁性秩序とプロキシミティ誘導強磁性配列の競合を温度依存的に分析した。
• 観測された2つの結合FMRモードは、Py強磁性体とFeMn内のプロキシミティ誘導磁化の両方のコherent励起に起因するとされた。
• 理論的解釈は、2つの磁気系間の動的結合に焦点を当て、ハイブリッド化された共鳴モードを生じるとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Py/FeMnバイレイヤー内の超薄膜FeMn層が、磁気プロキシミティ効果によって測定可能な強磁性共鳴を示せるか？
• RQ2 FeMnの厚さが、プロキシミティ誘導磁化の強度とそれによるFMRモードにどのように影響するか？
• RQ3 FMR周波数がFeMn厚さに依存する関係、特に3 nm未満のスケールでの依存性は何か？
• RQ4 FeMn内蔵反強磁性秩序とプロキシミティ誘導強磁性の競合が、動的磁気応答にどのように影響するか？
• RQ5 このような系が、高周波スピントロニクス応用を可能にする準太赫帯周波数でFMR周波数を支持できるか？

主な発見

• Py/FeMnバイレイヤーでは2つの明確なFMRモードが観測され、Py強磁性体とFeMn内のプロキシミティ誘導磁化の両方が同時に励起されていることを示した。
• FeMnの厚さが減少するにつれて、FeMn内のプロキシミティ誘導磁化が増加し、3 nmで最大値に達した。
• 結合系のFMR周波数はFeMn厚さの減少に伴い顕著に上昇し、3 nmのFeMnでは準太赫帯域に達した。
• 観測された結合は、主にネール温度付近で、Pyの磁化とFeMn内の誘導強磁性秩序との間の動的相互作用に起因するとされた。
• FeMn内蔵反強磁性秩序とプロキシミティ誘導強磁性の競合により、系は強力に結合した強磁性バイレイヤーに効果的に変化した。
• この挙動は、ハイブリッド強磁性–反強磁性異質接合を用いて、スピントロニクス素子におけるGHz–THzギャップを埋める実用的ルートを提供する。