[论文解读] Chiral spin spiral in synthetic antiferromagnets probed by circular dichroism in x-ray resonant magnetic scattering

Cyril Léveillé, Samuel Flewett+7 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Magnetic properties of thin films参考文献 45被引用 8

一句话总结

本研究证明，在倒空间中的半整数布喇格峰处，通过X射线共振磁散射的圆二色性（CD-XRMS）可直接、非侵入性地确定自旋螺旋在人工反铁磁体（SAFs）中的周期、手性（Néel型或Bloch型）和螺旋方向（顺时针或逆时针）。该方法揭示，Pt/CoFeB/Ru多层膜中的自旋螺旋在40–300 K温度范围内保持稳定，周期和手性恒定，表明Dzyaloshinskii-Moriya（DM）与对称交换相互作用的比值具有温度无关性。

ABSTRACT

Noncollinear chiral spin textures in ferromagnetic multilayers are at the forefront of recent research in nano-magnetism with the promise for fast and energy-efficient devices. The recently demonstrated possibilities to stabilize such chiral structures in synthetic antiferromagnets (SAF) has raised interests as they are immune to dipolar field, hence favoring the stabilization of ultra small textures, improve mobility and avoid the transverse deflections of moving skyrmions limiting the efficiency in some foreseen applications. However, such systems with zero net magnetization are hence difficult to characterize by most of the standard techniques. Here, we report that the relevant parameters of a magnetic SAF texture, those being its period, its type (N\'eel or Bloch) and its chirality (clockwise or counterclockwise), can be directly determined using the circular dichroism in x-ray resonant scattering (CD-XRMS) at half integer multilayer Bragg peaks in reciprocal space. The analysis of the dependence in temperature down to 40K allows us moreover to address the question of the temperature stability of a spin spiral in a SAF sample and of the temperature scaling of the symmetric and antisymmetric exchange interactions.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入性、元素特异性的方法，用于表征具有零净磁矩的SAFs中的手性自旋结构。
• 克服传统技术（如MFM或Lorentz TEM）在非磁性或弱磁性体系中面临的局限性。
• 利用倒空间中半整数多层膜布喇格峰处的CD-XRMS，确定SAFs中自旋螺旋的周期、手性类型（Néel/Bloch）和螺旋方向。
• 研究SAFs中自旋螺旋有序的温度稳定性，以及对称交换（A）与反称交换（D）相互作用的标度行为。

提出的方法

• 在Fe L3边（707 eV）处，利用同步辐射衍射仪（SOLEIL SEXTANTS光束线上的RESOXS）进行X射线共振磁散射中的圆二色性（CD-XRMS）测量。
• 在反射几何条件下，使用左旋（CL）和右旋（CR）圆偏振X射线进行测量，通过光电二极管或CCD探测器收集散射强度。
• 分析倒空间中对应于化学周期一半（QBragg/2）的位置处的强度差（CL - CR）和和（CL + CR），此处由于层间反铁磁耦合，磁散射为相长干涉。
• 结合DWBA（畸变波Born近似）形式理论与微磁模拟，对实验XRMS响应进行建模与验证。
• 从40 K到300 K进行温度依赖性测量，以评估热稳定性并提取交换与DM相互作用的温度标度行为。
• 将实验测得的二色性信号与理论预测进行比较，以确定手性并确认存在逆时针Néel型自旋螺旋。

实验结果

研究问题

• RQ1 在倒空间的半整数布喇格峰处，CD-XRMS能否唯一确定具有零净磁矩的SAFs中自旋螺旋的手性和周期？
• RQ2 SAFs中手性自旋螺旋有序的温度稳定性如何？其与对称交换（A）和反称交换（D）相互作用标度行为的关系是什么？
• RQ3 在SAFs中，Dzyaloshinskii-Moriya（DM）与对称交换（A）相互作用的比值是否在宽温度范围内保持恒定？
• RQ4 CD-XRMS能否作为在传统方法失效时，SAFs中手性磁结构的可靠、非侵入性探测手段？

主要发现

• 在QBragg/2处，CD-XRMS信号达到最大值，证实由于层间反铁磁耦合，磁散射在化学周期一半处为相长干涉。
• (CL - CR)差值信号的符号可无歧义地识别出自旋螺旋为逆时针Néel型，与Pt/CoFeB/Ru多层膜的设计一致。
• 自旋螺旋周期在40 K至300 K范围内保持恒定，表明该温度范围内A/D比值具有温度无关性。
• 恒定的A/D比值意味着Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用与对称交换（A）相互作用以相同方式随温度变化，其温度依赖性符合平均场理论预测的Ms(T)∼2关系。
• 基于DWBA与微磁输入的模拟结果，与实验数据在(CL + CR)强度和(CL - CR)二色性方面均表现出极佳一致性，验证了该方法的有效性。
• 该技术实现了对SAFs中手性自旋结构的直接、元素特异性和非侵入性探测，克服了MFM及其他传统方法的局限性。