[论文解读] Deterministic all-optical magnetization writing facilitated by non-local transfer of spin angular momentum

Youri L. W. van Hees, Paul van de Meugheuvel+2 more|TU/e Research Portal|Jan 24, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 43被引用 16

一句话总结

本论文通过非局域自旋角动量转移，利用单个飞秒激光脉冲实现了Co/Gd双层膜中确定性的全光磁化翻转，其机制依赖于光学激发的铁磁性Co/Ni参考层产生的自旋流。关键结果是通过自旋流诱导的对称性破缺，实现了对上、下磁态的可控写入，且通过调节参考层成分验证了非局域转移的机制。

ABSTRACT

Ever since the discovery of all-optical magnetization switching (AOS) around a decade ago, this phenomenon of manipulating magnetization using only femtosecond laser pulses has promised a large potential for future data storage and logic devices. Two distinct mechanisms have been observed, where the final magnetization state is either defined by the helicity of many incoming laser pulses, or toggled by a single pulse. What has thus far been elusive, yet essential for applications, is the deterministic writing of a specific magnetization state with a single laser pulse. In this work we experimentally demonstrate such a mechanism by making use of a spin polarized current which is optically generated in a ferromagnetic reference layer, assisting or hindering switching in an adjacent Co/Gd bilayer. We show deterministic writing of an 'up' and 'down' state using a sequence of 1 or 2 pulses, respectively. Moreover, we demonstrate the non-local origin of the effect by varying the magnitude of the generated spin current. Our demonstration of deterministic magnetization writing could provide an essential step towards the implementation of future optically addressable spintronic memory devices.

研究动机与目标

• 在磁性双层膜体系中实现确定性、单脉冲全光磁化翻转，克服基于切换的翻转方式的局限性。
• 研究非局域自旋角动量转移在实现可控磁化写入中的作用。
• 展示一种利用单个激光脉冲可靠写入上、下磁态的方法。
• 通过调节参考层成分来调控自旋流大小，从而验证翻转机制的非局域起源。

提出的方法

• 通过直流磁控溅射法生长多层异质结构，包括铁磁性Co/Ni参考层、Cu隧道层和Co/Gd自由层。
• 利用波长为700 nm的100 fs线性偏振激光脉冲诱导全光磁化翻转，通过脉冲选择器和机械快门实现单个脉冲的独立选择。
• 通过在不同激光脉冲能量下测量Kerr显微镜图像，并将数据拟合到高斯脉冲轮廓，确定翻转的阈值能量密度。
• 实现确定性翻转的对称性破缺归因于Co/Ni层中光学激发产生的自旋流，其大小通过调节参考层中Ni厚度进行调控。
• 采用传输矩阵方法进行理论建模，计算参考层中的光吸收和磁化，证实阈值能量密度的间隙与自旋流大小的标度关系。
• 利用极向磁光克尔效应（MOKE）测量表征磁滞回线，并验证磁态的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖初始磁化状态的前提下，通过单个激光脉冲实现确定性全光磁化翻转？
• RQ2 非局域自旋角动量转移在实现可控翻转中起到何种作用？
• RQ3 光学激发产生的自旋流大小如何影响翻转阈值和对称性破缺？
• RQ4 能否在非切换机制下，利用单个脉冲可靠写入上、下磁态？
• RQ5 所观察到的翻转效应是否源于非局域转移，而非局域交换散射？

主要发现

• 通过利用Co/Ni参考层产生的自旋流，成功实现单个飞秒激光脉冲对Co/Gd双层膜中上、下磁化态的确定性写入。
• 实验测得翻转的阈值能量密度间隙为基线能量密度的28%，表明该效应具有强且可扩展的特性。
• 对称性破缺实现确定性翻转的机制被证实源于非局域自旋流转移，其证据来自阈值间隙与参考层成分的标度关系。
• 通过调节Co/Ni参考层中Ni厚度，可调控光学激发产生的自旋流大小，且相应的阈值能量密度间隙随之成比例变化。
• 实验数据可通过结合参考层中光吸收与磁化的模型得到良好解释，证实了自旋流在对称性破缺中的作用。
• 该系统表现出典型的全光磁化翻转二进制阈值响应，为未来光自旋电子学器件提供了鲁棒且可控的比特写入能力。