[論文レビュー] Tuning of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction by He$^+$ ion irradiation

Hans T. Nembach, Émilie Jué+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 38被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ヘリウムイオン（He⁺）ビーム照射がTa/Co20Fe60B20/Pt/MgOヘテロ構造におけるジャロシニャクスキー＝モリオ対称性（DMI）を局所的に調整できることを示している。2×10¹⁶イオン/cm²までのフルエンスで、DMIは約20%増加するが、その後劣化が生じる。モンテカルロシミュレーションにより、制御された界面不純度が三サイト交換機構を強化することを確認し、スカイム粒子ベースのスピントロニクス素子におけるナノスケールでのDMIの設計が可能となる。

ABSTRACT

We studied the impact of He$^+$ irradiation on the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) in Ta/Co20Fe60B20/Pt/MgO samples. We found that irradiation with of 40 keV He$^+$ ions increases DMI by approximately 20% for fluences up to 2$\cdot$10$ m{^{16}}$ $ m{ions/cm}^2$ before it decreases for higher fluence values. In contrast, the interfacial anisotropy shows a distinctly different fluence dependence. To better understand the impact of the ion irradiation on the Ta and Pt interfaces with the Co20Fe60B20 layer, we carried out Monte-Carlo simulations, which showed an expected increase of disorder at the interfaces. A moderate increase in disorder can increase the total number of triplets for the three-site exchange mechanism and can consequently increase the DMI. Our results demonstrate that the DMI can be locally engineered at the nanometer scale, providing a highly promising approach to advance skyrmion-based memories.

研究の動機と目的

• ヘリウムイオン（He⁺）ビーム照射が磁性マルチレイヤーにおけるジャロシニャクスキー＝モリオ対称性（DMI）に与える影響を調査すること。
• Ta/CoFeBおよびPt/CoFeB界面におけるイオン誘発不純度がDMIをどのように変化させるかを理解すること。
• スピントロニクス応用に向けた局所的・ナノスケールのDMI設計の可能性を検討すること。
• モンテカルロ法を用いて、実験的DMI変化とシミュレートされた界面不純度を関連付けること。

提案手法

• 40 keVのHe⁺イオンを、2×10¹⁶イオン/cm²までのさまざまなフルエンスで、Ta/Co20Fe60B20/Pt/MgOヘテロ構造に照射する。
• フェロ磁性共鳴（FMR）およびスピン波分光法を用いてDMIを測定する。
• 磁気測定を用いて界面の異常を定量化し、DMIの傾向と比較する。
• モンテカルロシミュレーションを実施し、Ta/CoFeBおよびPt/CoFeB界面におけるイオン誘発原子不純度をモデル化する。
• 三サイト交換機構を用いて、不純度の増加がDMIの増強に寄与することを結びつける。
• フルエンス依存のDMIおよび異常の変化を分析し、最適な照射パラメータを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 He⁺イオンビーム照射のフルエンスは、Ta/CoFeB/Pt/MgOヘテロ構造におけるジャロシニャクスキー＝モリオ対称性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 三サイト交換機構を通じて、界面不純度がDMIをどのように調整するか？
• RQ3 界面異常は、DMIと比較してどのようにイオンビーム照射に応じて変化するか？
• RQ4 制御されたイオンビーム照射により、局所的・ナノスケールでのDMI調整がスピントロニクス素子応用に可能か？
• RQ5 モンテカルロシミュレーションは、実験的に観察されたDMIの傾向をどの程度再現できるか？

主な発見

• He⁺イオンフルエンスが2×10¹⁶イオン/cm²までに、DMIは約20%増加する。
• 2×10¹⁶イオン/cm²を超えると、過剰な不純度または構造的損傷によりDMIが低下する。
• 界面異常は明確なフルエンス依存性を示し、DMIの傾向とは異なる。
• モンテカルロシミュレーションにより、中程度の界面不純度が三サイト交換機構における有効な三重項の数を増加させることを確認した。
• 観察されたDMI増強は、不純度のある界面におけるスピン軌道結合の増強および三重項形成に起因するとされる。
• 本結果は、スカイム粒子ベースのメモリ素子に向けたナノスケールでの局所的イオンビームを用いたDMI設計の可能性を示している。