[论文解读] Magnetization reversal driven by low dimensional chaos in a nanoscale ferromagnet

Eric Montoya, Salvatore Perna+5 more|RePEc: Research Papers in Economics|Jun 8, 2018

Advanced Memory and Neural Computing被引用 4

一句话总结

本文展示了由交替自旋扭矩诱导的低维混沌可显著增强纳米尺度铁磁体中的热激活磁化反转。通过在鞍点平衡附近以交流自旋扭矩驱动磁性隧道结，作者实验和理论上证明了混沌动力学会削弱有效能垒，从而在降低阈值功率和较低频率激励下提高反转速率。

ABSTRACT

Energy-efficient switching of magnetization is a central problem in nonvolatile magnetic storage and magnetic neuromorphic computing. In the past two decades, several efficient methods of magnetic switching were demonstrated including spin torque, magneto-electric, and microwave-assisted switching mechanisms. Here we report the discovery of a new mechanism giving rise to magnetic switching. We experimentally show that low-dimensional magnetic chaos induced by alternating spin torque can strongly increase the rate of thermally-activated magnetic switching in a nanoscale ferromagnet. This mechanism exhibits a well-pronounced threshold character in spin torque amplitude and its efficiency increases with decreasing spin torque frequency. We present analytical and numerical calculations that quantitatively explain these experimental findings and reveal the key role played by low-dimensional magnetic chaos near saddle equilibria in enhancement of the switching rate. Our work unveils an important interplay between chaos and stochasticity in the energy assisted switching of magnetic nanosystems and paves the way towards improved energy efficiency of spin torque memory and logic.

研究动机与目标

• 研究低维混沌在增强纳米尺度磁系统中热激活磁化反转中的作用。
• 解决在自由度较少的磁系统中，特别是在室温下，混沌实验研究的缺乏问题。
• 探索磁纳米器件中确定性混沌与热涨落之间的相互作用。
• 展示一种利用交流自旋扭矩诱导混沌实现能量高效磁反转的新机制。
• 提供一个理论与实验相结合的框架，将鞍点附近混沌动力学与磁性隧道结中有效能垒降低联系起来。

提出的方法

• 制备了具有超顺磁性Co60Fe20B20自由层和人工反铁磁性参考层的磁性隧道结（MTJ）。
• 通过直流电流调制施加交流自旋扭矩，以在热涨落存在下驱动磁化动力学。
• 进行了室温输运测量（RTN）和自旋扭矩铁磁共振（ST-FMR），以探测反转行为和动态响应。
• 基于非线性动力学和随机微分方程的解析模型，描述系统在鞍点平衡附近的动力学行为。
• 通过含交流自旋扭矩和热噪声的朗道-李夫希茨-吉尔伯特方程的数值模拟，重现并预测实验中的反转速率。
• 利用阿伦尼乌斯定律作为逃逸速率分析的基准，通过混沌动力学下稳定性裕量的侵蚀量化有效能垒的降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 由交流自旋扭矩诱导的低维混沌是否能显著增强纳米尺度铁磁体中的热激活磁化反转？
• RQ2 交流自旋扭矩的阈值振幅和频率如何影响混沌动力学的出现及反转速率的增强？
• RQ3 在鞍点平衡附近，混沌动力学在多大程度上降低了磁化反转的有效能垒？
• RQ4 确定性混沌与热涨落之间的相互作用如何影响磁纳米器件中的反转速率？
• RQ5 实验观测到的反转速率增强能否通过弱阻尼、多稳态系统中混沌动力学的解析模型进行定量解释？

主要发现

• 由交流自旋扭矩诱导的低维混沌通过侵蚀鞍点平衡附近的稳定性裕量，提高了纳米尺度铁磁体中热激活反转速率。
• 反转增强效应在自旋扭矩振幅上表现出明显的阈值特征，表明存在向混沌动力学的非线性跃迁。
• 随着交流自旋扭矩频率的降低，反转增强效率提高，表明在较低驱动频率下性能更优。
• 基于非线性动力学和随机逃逸理论的解析与数值模型成功再现了实验中观测到的反转阈值频率依赖性。
• 鞍点平衡附近的混沌动力学降低了磁化反转的有效能垒，即使在热涨落使不稳定区域平滑化的情况下，仍可导致反转速率的可测量提升。
• 本研究首次在室温下实验检测到纳米尺度磁系统中的确定性混沌，其在反转动力学中具有清晰的特征信号。