[論文レビュー] Spin Hall torque magnetometry of Dzyaloshinskii domain walls

Satoru Emori, E. Martı́nez+7 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Aug 6, 2013

Magnetic properties of thin films参考文献 3被引用数 68

ひとこと要約

本研究では、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）を有する重金属/強磁性体ビレイヤーにおける電流駆動ドメインウォール運動を調査するためにスピンホールトルク磁化計測法を導入する。面内磁場下でのスピンホールトルクの角度依存性および磁化構造を測定することで、TaとPaの間でDMI強度が20倍の違いを示すことが実証され、従来の材料では観察されない顕著なウォール歪みが生じることが明らかになった。本研究は、キラルスピントロニクス素子の設計に不可欠な知見を提供する。

ABSTRACT

Current-induced domain wall motion in the presence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is experimentally and theoretically investigated in heavy-metal/ferromagnet bilayers. The angular dependence of the current-induced torque and the magnetization structure of Dzyaloshinskii domain walls are described and quantified simultaneously in the presence of in-plane fields. We show that the DMI strength depends strongly on the heavy metal, varying by a factor of 20 between Ta and Pa, and that strong DMI leads to wall distortions not seen in conventional materials. These findings provide essential insights for understanding and exploiting chiral magnetism for emerging spintronics applications.

研究の動機と目的

• 重金属/強磁性体バイレイヤーにおけるDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）の存在下で、電流駆動ドメインウォール運動を実験的および理論的に調査すること。
• 面内磁場下におけるDzyaloshinskiiドメインウォールの磁化構造およびスピンホールトルクの角度依存性を定量的に評価すること。
• 異なる重金属におけるDMI強度の変動とドメインウォール形状に与える影響を特定すること。
• 今後のスピントロニクス素子設計に向けたキラル磁性の体系的理解を提供すること。

提案手法

• Pt/Co/TaおよびTa/Co/Taヘテロ構造において、スピンホールトルク磁化計測法を用いて電流駆動トルクを測定する。
• 面内磁場の向きを変化させながら、スピンホールトルクの角度依存性を体系的に測定する。
• 面内磁場を用いてDzyaloshinskiiドメインウォールの磁化構造をプローブし、DMI強度およびウォールプロファイルを抽出する。
• 理論的モデリングを用いて実験データを解釈し、スピンホールトルク駆動ドメインウォール運動におけるDMI寄与を定量化する。
• TaやPaを含む異なる重金属間でのDMI強度を比較分析する。
• 本手法により、DMI強度とドメインウォール歪み効果を同時に定量化可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pt/Co/TaおよびTa/Co/Taヘテロ構造における、TaとPaといった異なる重金属間で、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用の強度はどのように変化するか？
• RQ2 DMIおよび面内磁場の存在下で、スピンホールトルクの角度依存性はどのように変化するか？
• RQ3 強いDMIが、従来の材料では観察されないドメインウォール構造の歪みをどのように引き起こすか？
• RQ4 面内磁場下において、スピンホールトルクがDzyaloshinskii型ドメインウォールの運動をどの程度駆動するか？
• RQ5 DMI強度と観察されたドメインウォールの磁化プロファイルの間に、どのような関係があるか？

主な発見

• 重金属/強磁性体バイレイヤーにおいて、タリウム（Ta）とプロタクチニウム（Pa）間でDMI強度が20倍の差を示す。
• 強いDMIは、弱いDMIを有する従来の材料では観察されない顕著なドメインウォールプロファイルの歪みを引き起こす。
• スピンホールトルクの角度依存性は、DMI強度およびドメインウォールの磁化構造と定量的に関連している。
• 実験データは、スピンホールトルク駆動ドメインウォール運動にDMI効果を含む理論モデルと良好に一致している。
• 本研究では、スピンホールトルク磁化計測法を用いて、DMI強度とドメインウォール構造を同時に直接測定する実験的手法を確立した。
• 本研究の結果は、次世代スピントロニクス素子の設計に不可欠な定量的知見を、キラル磁性の面で提供する。