[論文レビュー] Perpendicular magnetic anisotropy in insulating ferrimagnetic gadolinium iron garnet thin films

Hannes Maier-Flaig, Stephan Geprägs+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、絶縁体GdIG薄膜における電場を用いずに温度を調整することで、補償温度（T_comp ≈ 285 K）近くで面内磁気異方性から垂直磁気異方性への切り替えが実現され、磁気異方性の制御が可能であることを示した。SQUID磁化測定および広帯域鉄磁性共鳴（FMR）を用いて、有効異方性磁場の符号反転を定量的に同定し、T_comp近辺で不均一な幅およびギルバート減衰の強い温度依存的増加を明らかにした。これにより、低損失で全光的スイッチングが可能なデバイスへの応用が可能となる。

ABSTRACT

We present experimental control of the magnetic anisotropy in a gadolinium iron garnet (GdIG) thin film from in-plane to perpendicular anisotropy by simply changing the sample temperature. The magnetic hysteresis loops obtained by SQUID magnetometry measurements unambiguously reveal a change of the magnetically easy axis from out-of-plane to in-plane depending on the sample temperature. Additionally, we confirm these findings by the use of temperature dependent broadband ferromagnetic resonance spectroscopy (FMR). In order to determine the effective magnetization, we utilize the intrinsic advantage of FMR spectroscopy which allows to determine the magnetic anisotropy independent of the paramagnetic substrate, while magnetometry determines the combined magnetic moment from film and substrate. This enables us to quantitatively evaluate the anisotropy and the smooth transition from in-plane to perpendicular magnetic anisotropy. Furthermore, we derive the temperature dependent $g$-factor and the Gilbert damping of the GdIG thin film.

研究の動機と目的

• 絶縁体GdIG薄膜における磁気異方性が外部磁場を用いずに温度に起因して面内から垂直方向に切り替わることを実験的に示すこと。
• 薄膜および基板の寄与を分離できる独立した手法を用いて、磁気異方性とその温度依存性を定量的に評価すること。
• GdIGにおけるg因子およびギルバート減衰の温度依存性を、特に補償温度付近で調査すること。
• 観察された異方性遷移が、磁性絶縁体における全光的スイッチングに適した条件を満たすかどうかを検証すること。
• 広帯域FMRスペクトルにおける内在的減衰と不均一な幅の寄与を分離すること。

提案手法

• SQUID磁化測定を用いて、磁化ヒステリシスループを測定し、温度に応じた磁気的容易軸を特定した。
• 広帯域鉄磁性共鳴（FMR）分光法を用いて、有効異方性磁場、g因子、および線幅成分を、常磁性基板の影響を独立して抽出した。
• 周波数依存性 Δω = 2α·ω_res + Δω₀ を用いて、FMR線幅を不均一な幅（Δω₀）とギルバート的減衰（α）に分離するモデルを適用した。
• FMR共振磁場および周波数から有効磁化および異方性磁場を計算し、異方性の進化を定量的に分析可能とした。
• 観察された異方性遷移を、ネット磁化およびGdおよびFeイオンのスピンサブラットの温度依存性と相関づけた。
• ブルアイン関数を用いてGdサブラットの磁化の温度依存性をモデル化し、そのネット磁化および異方性への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 絶縁体GdIG薄膜における磁気異方性は、外部磁場を用いずに、面内と垂直方向の間で可逆的に切り替え可能か？
• RQ2 有効異方性磁場は温度にどのように変化し、面内から垂直方向への異方性遷移の原因は何か？
• RQ3 GdIGにおけるg因子およびギルバート減衰の温度依存性は何か？また、補償温度とどのように関係しているか？
• RQ4 不均一な幅と内在的減衰の寄与はFMR線幅にどの程度寄与しており、T_comp近辺でどのように変化するか？
• RQ5 観察された異方性遷移が、磁性絶縁体における全光的スイッチングに適した条件を満たすか？

主な発見

• GdIG薄膜における磁気異方性は温度上昇に伴い面内から垂直方向に切り替わり、その遷移はT_comp ≈ 285 K付近で発生し、SQUID磁化測定およびFMR両方で確認された。
• 有効異方性磁場の符号がT ≈ 190 Kで反転し、FMR共振磁場のシフトから直接観察されたように、面内から垂直方向への磁気異方性の遷移が確認された。
• 不均一な線幅（Δω₀）は10 Kで390 MHzから250 Kで6350 MHzにまで10倍以上増加し、T_comp付近でピークを示した。
• ギルバート減衰パラメータαはT_comp付近で10倍に増加し、内在的スピン緩和過程の著しい増加を示した。
• g因子は温度上昇に伴い顕著に減少し、GdおよびFeサブラットの異なるg因子に起因するもので、既存の文献と整合的であった。
• FMR線幅の分解から、不均一な幅およびギルバート的減衰の両方が総線幅に顕著に寄与しており、特に後者はT_comp付近で強い温度依存性を示した。