[论文解读] Electrical detection of a skyrmion in a magnetic tunneling junction

Keita Hamamoto, Naoto Nagaosa|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出了一种通过磁性隧道结（MTJ）实现单个磁性斯kyrmion电学检测的方法，其中隧穿磁阻（TMR）比值强烈依赖于skyrmion的自旋构型和器件几何结构。当skyrmion尺寸与器件尺寸相当时，若能谱展宽小于交换耦合，则TMR可超过30%，表明MTJ是未来skyrmionic存储器件中可行的读出机制。

ABSTRACT

We theoretically investigated a method to detect a single skyrmion in a magnetic tunneling junction (MTJ) geometry. Using the tunneling Hamiltonian approach, we calculated the tunneling magnetoresistance (TMR) ratio of the skyrmion-ferromagnet bilayer system. We show the TMR ratio is determined sorely by the spin profile of the skyrmion and geometrical factor of the device, if only the system is reasonably clean such that the spectral broadening is smaller than the exchange coupling between the local and the itinerant magnetic moment. The TMR ratio in that case can amount to $30\%$ or higher when the diameter of the skyrmion is as large as the size of the device. Since this criterion is easily achievable in real systems, MTJ geometry can be a good candidate of the electrical detection of a single skyrmion i.e., the reading process of the information in the future skyrmionics memory devices.

研究动机与目标

• 开发一种适用于器件结构的纯电学方法，用于检测单个skyrmion。
• 克服传统成像技术成本高且不适用于快速动力学检测的局限性。
• 证明MTJ中的TMR可作为skyrmion存在的可靠读出信号。
• 确定TMR比值超过30%以实现实际器件应用的条件。
• 阐明电子输运行为与能谱展宽在决定MTJ结构中skyrmion可探测性方面的作用。

提出的方法

• 研究采用二维双层模型，包含skyrmion层和完全极化的铁磁层。
• 总哈密顿量包括层内双交换项和仅具有垂直跃迁的层间隧穿项。
• 利用二阶微扰理论结合隧穿哈密顿量计算隧穿电流，引入谱函数和费米-狄拉克统计。
• 通过经验方式引入谱展宽Σ以考虑散射过程，并采用线性响应、零温极限。
• 计算TMR比值随skyrmion半径、交换耦合J和谱展宽Σ的变化。
• 采用基于局域磁矩内积的简化估算方法，以验证和解释结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性隧道结（MTJ）中的隧穿磁阻（TMR）是否可用于电学检测单个skyrmion？
• RQ2 TMR比值如何依赖于skyrmion尺寸、交换耦合J和谱展宽Σ？
• RQ3 与STM等局域探针相比，探测电极的有限尺寸如何影响隧穿电流？
• RQ4 在何种条件下，MTJ结构中的TMR比值超过30%？
• RQ5 在缺乏完整电子结构细节的情况下，仅凭自旋分布在多大程度上可预测TMR？

主要发现

• 当skyrmion直径与器件尺寸相当时，在实际条件下TMR比值可超过30%。
• 只要谱展宽Σ小于交换耦合J，TMR比值主要由skyrmion的自旋构型和器件几何结构决定。
• 当Σ ≲ J且skyrmion半径λ ≈ L/2（L为器件尺寸）时，TMR比值在广泛参数范围内仍高于30%。
• 基于局域磁矩内积的简化模型可在广泛参数范围内准确预测TMR比值。
• 铁磁电极中的有限尺寸效应显著改变隧穿电流，与STM等局域探针相比，这使得简单的局域态密度（LDoS）描述失效。
• MTJ结构是未来skyrmionic存储器件中skyrmion电学读出的可行且可扩展的候选方案。