[论文解读] Coupled ferromagnetic-resonance modes and frequency enhancement in Py/FeMn bilayers under magnetic proximity effect

D. M. Polishchuk, T. I. Polek+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Magnetic properties of thin films被引用 1

一句话总结

本研究展示了在Py/FeMn双异质结中，由于磁性邻近效应，存在两种耦合的铁磁共振（FMR）模式，其中超薄FeMn层发展出诱导的铁磁序。当FeMn厚度减小至3 nm时，FMR频率进入亚THz范围，通过铁磁性与邻近诱导磁化之间的强耦合，为在自旋电子学器件中填补GHz–THz频段空白提供了途径。

ABSTRACT

Ferromagnetic resonance (FMR) in exchange-coupled ferromagnet-antiferromagnet bilayers commonly shows only one resonance mode corresponding solely to the excitation of the ferromagnetic component. Here we report an observation of a simultaneous excitation of both the ferromagnetic and antiferromagnetic films in a Py/FeMn bilayer, observed as two coupled FMR modes. These modes are explained as due to a dynamic interplay between the magnetization of Py and the proximity-induced magnetization in an ultra-thin layer of nominally antiferromagnetic FeMn. We find that this proximity induced magnetization of FeMn increases with decreasing the thickness of FeMn. A concomitant increase in the FMR frequency toward the sub-THz range is observed for the bilayer with FeMn as thin as 3 nm. We explain the results as due to a competition between the intrinsic antiferromagnetic order in the FeMn film and the magnetic proximity effect induced by the Py layer. As a result, the structure transforms in to a relatively strongly-coupled ferromagnetic bilayer, with a completely different FMR spectrum, particularly near the Neel temperature of the antiferromagnetic film. Our results show that combining materials with strong and weak anti/ferromagnetic ordering can be promising for high-speed spintronic applications, which can potentially close the notoriously difficult GHz-THz gap.

研究动机与目标

• 研究在磁性邻近效应下，交换耦合的Py/FeMn双异质结的动态磁响应。
• 确定当邻近诱导磁化增强时，反铁磁性FeMn是否能够支持共振模式。
• 探讨邻近诱导磁化厚度依赖性及其对FMR频率的影响。
• 识别FeMn在双异质结中从反铁磁性向有效铁磁性行为转变的条件。
• 通过进入亚THz频率范围，评估此类系统在高速自旋电子学应用中的潜力。

提出的方法

• 采用铁磁共振（FMR）光谱技术，探测不同FeMn厚度的Py/FeMn双异质结的动态磁响应。
• 通过相邻的Py（坡莫合金）层诱导磁性邻近效应，使超薄FeMn薄膜磁化。
• 系统地将FeMn厚度减小至3 nm，以研究FMR谱的演化。
• 分析FeMn中本征反铁磁序与邻近诱导铁磁排列之间的竞争关系，特别关注奈尔温度附近的行为。
• 观察到的两种耦合FMR模式被归因于Py铁磁体与FeMn中邻近诱导磁化的协同激发。
• 理论解释聚焦于两个磁性亚系统之间的动态耦合，导致杂化共振模式的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Py/FeMn双异质结中，超薄FeMn层是否能因磁性邻近效应而表现出可测量的铁磁共振？
• RQ2 FeMn厚度如何影响邻近诱导磁化的强度及其产生的FMR模式？
• RQ3 FMR频率对FeMn厚度的依赖性如何，特别是在亚3 nm尺度下？
• RQ4 本征反铁磁序与邻近诱导铁磁性之间的竞争如何影响动态磁响应？
• RQ5 此类系统是否能支持亚THz频段的FMR频率，从而实现高速自旋电子学应用？

主要发现

• 在Py/FeMn双异质结中观察到两种不同的FMR模式，表明Py铁磁体与FeMn中邻近诱导磁化同时被激发。
• FeMn中的邻近诱导磁化随FeMn厚度减小而增强，在3 nm时达到最大值。
• 随着FeMn厚度减小，耦合系统的FMR频率显著提高，当FeMn厚度为3 nm时进入亚THz范围。
• 观察到的耦合归因于Py磁化与FeMn中诱导铁磁序之间的动态相互作用，尤其在奈尔温度附近表现明显。
• 由于本征反铁磁序与邻近诱导铁磁性之间的竞争，该系统有效转变为强耦合的铁磁双异质结。
• 该行为为利用异质结型铁磁-反铁磁结构在自旋电子学器件中实现GHz–THz频段的接入提供了可行路径。