[論文レビュー] Time resolved imaging of the non-linear bullet mode within an injection-locked spin Hall nano-oscillator

Timothy Spicer, P. S. Keatley+9 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2018

Magnetic properties of thin films被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、DCおよびRF電流注入下でのスピンホールナノオシレーター（SHNO）における非線形な'バレット'モードを可視化するために、時間分解走査ケル顕微鏡が用いられた。高いDC電流では、移動性とサイズが増加する閾値駆動型のバレットモードが観察された。これは、局所的加熱によってデバイス中心部でのスピンターボルクの低減が原因である可能性がある。一方、Au接触部の端縁に起因するアーチファクトにより、縦方向MOKE像の品質が損なわれた。

ABSTRACT

Time-resolved scanning Kerr microscopy has been used to image large amplitude precessional magnetization dynamics within a spin Hall nano-oscillator (SHNO). The SHNO was formed from a 4 micron diameter Py(5 nm)/Pt(6 nm) mesa defined upon a $Al_2O_3$ substrate, with triangular Au(150 nm) contacts overlaid. Injection of an RF current was used to phase lock the SHNO to the repetition rate of the laser system. Time resolved imaging revealed that injection of DC current leads to excitation of a non-linear `bullet' mode with a clear threshold behaviour, that can be separated from the small amplitude Ferromagnetic resonance (FMR) induced by the RF current. The out of plane magnetization component is readily detected by means of the polar magneto optical Kerr effect (MOKE). However images obtained by means of longitudinal MOKE measurements are dominated by an artifact arising from the edges of the Au contacts. Micromagnetic simulations suggest that the diameter of the bullet mode is significantly smaller than that of the focused laser spot. Nevertheless, as the DC current is increased above the threshold value, the image of the bullet mode is found to increase in size, suggesting that the bullet becomes increasingly mobile and exhibits significant translational motion relative to the centre of the device. This behaviour may be driven by a reduction of the spin transfer torque at the centre of the device due to heating effects.

研究の動機と目的

• DCおよびRF電流を併用して注入した状態におけるスピンホールナノオシレーター（SHNO）の非線形磁化ダイナミクスを可視化すること。
• RF電流によって誘発される小振幅の強磁性共鳴（FMR）モードとは異なる、大振幅のバレットモードを区別すること。
• DC電流の関数としてのバレットモードの空間的変化および移動性を調査すること。
• Au接触部の端縁に起因する像のアーチファクトを特定し、その影響を軽減すること。
• 実験的観察とミクロ磁気シミュレーションを照合し、バレットモード行動の起源を理解すること。

提案手法

• 時間分解走査ケル顕微鏡を用いて、1ナノ秒未塔の時間分解能を持つプリプレッション磁化ダイナミクスを撮影した。
• スapphire基板上に、4 µmの直径を有するPy(5 nm)/Pt(6 nm)のメイサを形成し、電気的注入用に三角形のAu(150 nm)接触部を設けた。
• RF電流を注入してSHNOをレーザー繰り返し周波数に位鎖合わせさせ、同期的な時間分解像取得を可能にした。
• アウトオブプレーンおよびインプレーン磁化成分の検出のために、ポーラーおよび縦方向MOKE設定を用いた。
• バレットモードのサイズとダイナミクスをモデル化するため、ミクロ磁気シミュレーションを実施し、実験的観察と比較した。
• しきい値を超えてDC電流を段階的に増加させ、バレットモードの空間的拡大および移動性の変化を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DC電流をしきい値を超えて印加すると、SHNOにおけるバレットモードの空間的特性はどのように変化するか？
• RQ2 DC電流が増加するにつれて、観測されたバレットモードの見かけのサイズが増大するのはなぜか？
• RQ3 縦方向MOKE信号がなぜAu接触部の端縁に起因するアーチファクトに支配されるのか、そしてこれはモード検出にどのように影響するか？
• RQ4 バレットモードはデバイス中心に対してどの程度の並進運動を示すか？
• RQ5 局所的加熱がスピン転送トルクをどのように変化させ、バレットモードの移動性を可能にするのか？

主な発見

• DC電流の注入により、RF電流によって誘発される小振幅のFMRモードとは明確に異なる、明確なしきい値特性を示すバレットモードが観察された。
• ポーラーMOKEを用いた測定により、バレットモードのアウトオブプレーン成分が明確に検出され、そのプレッション性が確認された。
• 縦方向MOKE像は、Au接触部の端縁に起因するアーチファクトに支配されており、真の磁化ダイナミクスが隠蔽されている。
• バレットモードの見かけのサイズがDC電流に比例して増大する傾向が観察され、デバイス中心からの移動性および並進運動の増大を示唆した。
• ミクロ磁気シミュレーションの結果、バレットモードはレーザー光スポットよりも小さいサイズであると示唆された。これは、観測されたサイズ増大が空間的広がりではなく、運動に起因するものであることを示した。
• 増大する移動性は、局所的加熱によるデバイス中心部でのスピンターボルクの低減に起因すると考えられる。