[논문 리뷰] Field-dependent roughness of moving domain walls in a Pt/Co/Pt magnetic thin film

María José Cortés Burgos, Pamela C. Guruciaga외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 30.

Theoretical and Computational Physics참고 문헌 53인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 크리프 조건 하에서 Pt/Co/Pt 자성 박막에서 이동하는 도메인 벽의 필드 의존적 거칠기 파라미터를 실험적으로 측정한다. 다양한 자외장에서 거의 일정한 거칠기 지수 ζ = 0.74를 보고하며, 이는 탈착과 열적 거칠기 영역 간의 교차로 인해 나타나는 효과적인 값으로 해석된다. 또한, 외부 자외장이 감소할수록 거칠기 진폭이 크게 증가함을 확인하여 라리너 길이 척도에서의 필드 의존적 변동성을 밝혀냈다.

ABSTRACT

The creep motion of domain walls driven by external fields in magnetic thin films is described by universal features related to the underlying depinning transition. One key parameter in this description is the roughness exponent characterizing the growth of fluctuations of the domain wall position with its longitudinal length scale. The roughness amplitude, which gives information about the scale of fluctuations, however, has received less attention. Albeit their relevance, experimental reports of the roughness parameters, both exponent and amplitude, are scarce. We report here experimental values of the roughness parameters for different magnetic field intensities in the creep regime at room temperature for a Pt/Co/Pt thin film. The mean value of the roughness exponent is ζ=0.74, and we show that it can be rationalized as an effective value in terms of the known universal values corresponding to the depinning and thermal cases. In addition, it is shown that the roughness amplitude presents a significant increase with decreasing field. These results contribute to the description of domain wall motion in disordered magnetic thin systems.

연구 동기 및 목표

• 비순서적인 자성 박막에서 이동하는 도메인 벽의 거칠기 파라미터(지수 및 진폭)의 필드 의존성을 측정하기.
• 실험적으로 보고된 거칠기 지수의 넓은 범위의 변동 원인을 밝혀내는 데 있는 열린 문제를 해결하기.
• 크리프 영역에서 관찰된 필드 의존적 거칠기 진폭의 물리적 기원을 조사하기.
• 관측된 거칠기 지수를 탈착과 열적 거칠기 영역 간의 교차로 인해 발생하는 효과적인 값으로 해석하기.

제안 방법

• 0.936 µm의 효과적 픽셀 크기를 가진 자체 제작된 폴라라이즈드 자기광학 케러 효과(POKME) 현미경을 사용하여 Pt/Co/Pt 필름에서 도메인 벽을 영상 촬영하였다.
• 실온에서 다양한 외부 자외장을 적용한 상태에서 시간 경과에 따른 도메인 벽 이동 영상 데이터를 확보하였다.
• 영상에서 도메인 벽의 위치를 추출하고, 이격거리-이격거리 상관함수 B(r)를 계산하여 거칠기 파라미터를 도출하였다.
• 다양한 자외장 강도에서 B(r) ∼ r²ζ를 피팅하여 거칠기 지수 ζ와 진폭을 데이터로부터 추출하였다.
• 탈착(ζdep)과 열적 거칠기(ζth) 영역 간의 교차를 모델링하기 위해 스케일링 이론을 적용하였으며, qav와 r에 의존하는 적분을 포함하는 하이브리드 함수 형태를 사용하였다.
• 교차 함수 Ix(r)의 수치적 적분을 통해 측정된 B(r)를 효과적인 ζ와 필드 의존적 진폭과 연결지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 크리프 영역에서 Pt/Co/Pt 필름의 이동 도메인 벽에서의 거칠기 지수 ζ는 적용된 자외장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 이론적 기대에 비해 실험 보고에서 거칠기 지수의 값이 매우 다양하게 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ3 크리프 영역에서 관찰된 필드 의존적 거칠기 진폭의 기원은 무엇인가?
• RQ4 관측된 거칠기 지수는 탈착과 열적 거칠기 영역 간의 교차로 인해 발생하는 효과적인 값으로 이해할 수 있는가?
• RQ5 라리너 길이 척도는 도메인 벽 위치의 횡방향 변동성의 필드 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 측정된 자외장 범위 전반에서 거칠기 지수 ζ는 거의 일정하며, 평균 값은 0.74로 나타나 크리프 영역에서의 강력한 스케일링 행동을 시사한다.
• 관측된 ζ = 0.74는 보편적인 평형 값이 아니라, 탈착 거칠기(ζdep)와 열적 거칠기(ζth) 영역 간의 교차로 인해 발생하는 효과적인 값으로 해석된다.
• 자외장이 감소할수록 거칠기 진폭이 크게 증가함을 확인하여, 낮은 자외장에서 더 강한 횡방향 변동성이 있음을 나타낸다.
• 이러한 필드 의존적 진폭은 라리너 길이 척도에서의 변동성이 외부 자외장에 민감하게 반응함을 시사하며, 거칠기 진폭이 필드에 무관하다는 가정을 도전한다.
• 데이터는 이질성과 탄성의 다양한 척도에서의 상호작용이 효과적인 거칠기 지수를 만들어내는 교차 모델을 지지한다.
• 본 연구는 크리프 영역에서 거칠기 지수와 진폭의 체계적 필드 의존성을 처음으로 실험적으로 제시하여 오랫동안 애매하게 여겨졌던 해석의 모순을 해결하였다.