[論文レビュー] Vortex-crystal pattern in an anti-artificial spin ice system

C. I. L. de Araujo, R. C. Silva+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、連続的な25 nmのニッケル薄膜内にナノスケールのアンチドットを配置した反人工スピンアイス系を提案し、磁化反転時にランダムに整列した渦状結晶構造を誘発する。マクロスケールのシミュレーションにより、25 nm以上の膜厚で渦状結晶が形成され、室温をはるかに超えて安定することが確認され、電気的に接続されたスピントロニクス応用に向けた有望なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

We have proposed in this work an original system composed by anti-dots nanopatterned in a ferromagnetic thin film, mimicking negatively the structure of an articial spin ice. In the hysteresis loop we notice the emergency of an anisotropy in the magnetization saturation and in the micromagnetic simulations, in the beginning of the hysteresis loop (relaxation), the formation of a vortex crystal array with vortices in diferent positions possessing random polarization and chirality. The crystal of vortices in this electrically connected sample could be most eficient than those observed in non-connected nanodiscs for current-driven or magnetic vortices switching by electric currents.

研究の動機と目的

• ナノスケールのアンチドットを用いた連続的鉄磁性薄膜における新規な反人工スピンアイス系の設計および作製を行い、出現する磁気的秩序を調査すること。
• アンチドットのパターン形成が鉄磁性薄膜における磁気的異方性、降伏力およびヒステリシスループの正方形度に与える影響を調査すること。
• 特に電気的に接続された構成において、トポロジカルな渦状結晶相が出現する条件を特定すること。
• 渦状結晶が将来のスピントロニクス応用、特に電流駆動によるスイッチングや情報記憶に果たす可能性を評価すること。

提案手法

• 20 kVの電子線露光を用いた電子線リソグラフィーとPMMAレジストを用いて、1 cm²のSi(110)基板上に1 mm²のアンチドット格子を形成した。
• 電子ビーム蒸着法を用いて、8 nmのTi接着層と3 nmのAuキャッピング層を含む25 nmのNi膜を堆積し、リフトオフ処理を実施した。
• フィールドエミッションガン走査電子顕微鏡（SEM-FEG）を用いて、ナノ構造の形態およびパターンの忠実度を確認した。
• バイブレーティング・サンプル・マグネトメータ（VSM）を用いた磁気ヒステリシス測定により、降伏力およびヒステリシスループの正方形度を評価した。
• 3×3 µm²のセルを用いたマクロスケールのシミュレーション（メッシュサイズ5 nm）を実施し、NiのパラメータとしてA = 9×10⁻¹² J/mおよびMs = 4.3×10⁵ A/mを組み込んだ。
• セルの辺に対して0°および45°の方向に磁場を印加し、磁化反転ダイナミクスを解析することで、ドメインウォールのピンナップおよび渦の形成を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的鉄磁性薄膜内のアンチドットパターンが、磁化反転中に安定な渦状結晶相を誘発できるか？
• RQ2 アンチドット格子の幾何学的形状が、ヒステリシスループにおける磁気的異方性および降伏力に与える影響は何か？
• RQ3 このような系において、電気的接続性が渦状結晶状態の安定化および制御に果たす役割は何か？
• RQ4 どの膜厚で渦状結晶相が熱力学的に安定化し、室温をはるかに超えて持続するのか？
• RQ5 結晶内における渦のヘリシティおよびコアの極性分布はどのように分布しており、外部磁場または電流注入によって制御可能か？

主な発見

• 反スピンアイス系は、実験的に確認され、マクロスケールのシミュレーションでも定性的に再現された、増大した降伏力およびヒステリシスループの正方形度を示した。
• ヒステリシスループの初期緩和段階において、渦状結晶パターンが形成され、シミュレーションで観察されたように、渦はランダムなヘリシティおよびコアの極性を示した。
• 渦状結晶相は、Ni膜の厚さが25 nmを超える場合にのみ安定しており、これはバルク値に近いCurie温度631 Kに対応しており、室温をはるかに超えて安定であることが示された。
• シミュレーションでは、渦の形成が磁気的静電エネルギーの最小化によって駆動されており、渦コア付近のスピンが面外方向（上または下）の極性をとることが分かった。
• 斜め方向の磁場印加（45°）では、ピンナップドメインが両方寄与し、降伏力が増強され、実験観察と一致した。
• 試料の電気的に接続された構造により、電流駆動による渦の制御が可能となり、スピントロニクス応用において孤立したナノディスクよりも優位性を示す可能性がある。