[论文解读] Direct observation of magnetic droplet solitons in all-perpendicular spin torque nano-oscillators

Sunjae Chung, Q. Tuan Le+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

本研究首次通过直接电学与磁学成像观测到在中等垂直磁场下全垂直自旋转移力矩纳米振荡器（NC-STNOs）中的磁滴孤子。利用扫描透射X射线显微镜（STXM），作者直接观测到一个直径150 nm、周界宽度70 nm、且在80 nm纳米接触下方具有完全反转核心的磁滴，证实了在无需正交磁性构型或强外场条件下，磁滴可稳定形成。

ABSTRACT

Magnetic droplets are non-topological dynamical solitons that can be nucleated and sustained in nano-contact based spin torque nano-oscillators (NC-STNOs) with perpendicular anisotropy free layers. While originally predicted in all-perpendicular NC-STNOs, all experimental demonstrations have so far relied on orthogonal devices with an in-plane polarizing layer that requires a strong magnetic field for droplet nucleation. Here, we instead show the nucleation and sustained operation of magnetic droplets in all-perpendicular NC-STNOs in modest perpendicular fields and over a wide range of nano-contact size. The droplet is observed electrically as an intermediate resistance state accompanied by broadband low-frequency microwave noise. Using canted fields, which introduce a non-zero relative angle between the free and fixed layer, the actual droplet precession frequency can also be determined. Finally, the droplet size, its perimeter width, and its fully reversed core are directly observed underneath a 80 nm diameter nano-contact using scanning transmission x-ray microscopy on both the Ni and Co edges. The droplet diameter is 150 nm, i.e. almost twice the nominal size of the nano-contact, and the droplet has a perimeter width of about 70 nm.

研究动机与目标

• 证明在全垂直NC-STNO中无需正交磁性构型即可实现磁滴孤子的成核与持续运行。
• 克服以往实验研究依赖平面极化层和强磁场以形成磁滴的局限性。
• 利用扫描透射X射线显微镜（STXM）在Ni和Co的L3边处直接成像磁滴的空间结构。
• 将电学特征——中间电阻和超宽带微波噪声——与在受控磁场环境中磁滴孤子的形成相关联。
• 通过倾斜磁质场确定磁滴进动频率，并验证孤子态的动力学行为。

提出的方法

• 在SiO2/Si基底上采用磁控溅射法制备全垂直NC-STNO，完整结构包括Ta/Cu/Ta/Pd种子层和[Co/Pd]×5/Co/Cu/[Co/Ni]×4/Co多层膜结构。
• 通过光学光刻和SiO2热氧化形成台面结构，随后利用电子束光刻图案化圆形纳米接触（直径50–150 nm），并通过反应离子刻蚀打开接触。
• 采用自定义装置进行电学表征，包括直流电源、纳米伏特计、频谱分析仪和偏置T型耦合器，以分离直流与微波信号。
• 在BESSY II同步辐射设施进行STXM测量，使用圆偏振X射线在Ni和Co的L3吸收边实现元素特异性XMCD对比度。
• 采用类似锁相的数据采集方案，结合雪崩光电二极管与FPGA处理，实现STXM成像中的超低噪声。
• 施加倾斜磁质场（自由层与固定层磁化方向间存在非零夹角），以从测得的微波辐射中提取实际磁滴进动频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁滴孤子能否在全垂直NC-STNO中稳定成核并持续存在，而无需正交磁性构型？
• RQ2 磁滴的空间范围及其内部结构（包括直径、周界宽度和核心反转）是否可通过STXM直接成像？
• RQ3 磁滴进动频率与外加磁场及其角度的关系如何？是否可实验解析？
• RQ4 全垂直STNO中磁滴态相关的电学特征（电阻状态、微波噪声）是什么？
• RQ5 能否通过在Ni和Co的L3边处进行元素特异性XMCD成像，对磁滴的磁性构型进行定量表征？

主要发现

• 在中等垂直磁场（最高240 mT）下，首次直接观测到全垂直NC-STNO中的磁滴孤子，无需强磁场或正交磁性层。
• 测得磁滴直径为150 nm，接近纳米接触名义尺寸80 nm的两倍，表明磁激发存在显著的空间扩展。
• 磁滴周界宽度约为70 nm，对应于围绕反转核心的相干自旋进动区域。
• 磁滴核心完全反转，磁化角超过160°，证实纳米接触下方中心区域已实现完全反转。
• 电学测量显示存在中间电阻状态和超宽带低频微波噪声，特征为磁滴动力学行为。
• 通过倾斜磁质场测定实际磁滴进动频率，实现了对孤子态动力学行为的直接验证。