[论文解读] Field-dependent roughness of moving domain walls in a Pt/Co/Pt magnetic thin film

María José Cortés Burgos, Pamela C. Guruciaga+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Theoretical and Computational Physics参考文献 53被引用 7

一句话总结

本研究在蠕动条件下，实验测量了Pt/Co/Pt磁性薄膜中运动畴壁的场依赖性粗糙度参数。报告发现粗糙度指数 ζ = 0.74 在不同磁场下近乎恒定，解释为钉扎与热粗糙度区域之间发生交叉所致的有效值，并揭示粗糙度振幅随磁场减小而显著增加，表明在Larkin长度尺度上存在场依赖性涨落。

ABSTRACT

The creep motion of domain walls driven by external fields in magnetic thin films is described by universal features related to the underlying depinning transition. One key parameter in this description is the roughness exponent characterizing the growth of fluctuations of the domain wall position with its longitudinal length scale. The roughness amplitude, which gives information about the scale of fluctuations, however, has received less attention. Albeit their relevance, experimental reports of the roughness parameters, both exponent and amplitude, are scarce. We report here experimental values of the roughness parameters for different magnetic field intensities in the creep regime at room temperature for a Pt/Co/Pt thin film. The mean value of the roughness exponent is ζ=0.74, and we show that it can be rationalized as an effective value in terms of the known universal values corresponding to the depinning and thermal cases. In addition, it is shown that the roughness amplitude presents a significant increase with decreasing field. These results contribute to the description of domain wall motion in disordered magnetic thin systems.

研究动机与目标

• 测量无序磁性薄膜中运动畴壁的粗糙度参数（指数与振幅）的场依赖性。
• 解决实验报告中粗糙度指数值差异巨大的开放性问题。
• 研究在蠕动 regime 中场依赖性粗糙度振幅的物理起源。
• 将观测到的粗糙度指数解释为钉扎粗糙度与热粗糙度区域之间交叉所导致的有效值。

提出的方法

• 使用自制的偏振磁光 Kerr 效应（PMOKE）显微镜，有效像素尺寸为 0.936 µm，对 Pt/Co/Pt 薄膜中的畴壁进行成像。
• 在室温下，对不同外加磁场条件下的畴壁运动获取时间序列图像。
• 从图像中提取畴壁位置，并计算位移-位移关联函数 B(r)，以确定粗糙度参数。
• 通过拟合 B(r) ∼ r²ζ，从不同磁场强度下的数据中提取粗糙度指数 ζ 和振幅。
• 应用标度理论，对钉扎（ζdep）与热（ζth）粗糙度区域之间的交叉进行建模，采用包含 qav 和 r 依赖性积分的混合函数形式。
• 通过数值积分交叉函数 Ix(r)，将测量得到的 B(r) 与有效 ζ 及场依赖性振幅关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在蠕动 regime 中，Pt/Co/Pt 薄膜中运动畴壁的粗糙度指数 ζ 如何随外加磁场变化？
• RQ2 尽管理论预期存在统一值，为何实验报告的粗糙度指数值范围如此广泛？
• RQ3 在蠕动 regime 中观察到的场依赖性粗糙度振幅的起源是什么？
• RQ4 观测到的粗糙度指数能否被理解为钉扎与热粗糙度区域之间交叉所导致的有效值？
• RQ5 Larkin 长度尺度如何影响畴壁位置横向涨落的场依赖性？

主要发现

• 粗糙度指数 ζ 在测量的磁场范围内近乎恒定，平均值为 0.74，表明在蠕动 regime 中具有稳健的标度行为。
• 观测到的 ζ = 0.74 解释为钉扎粗糙度（ζdep）与热粗糙度（ζth）之间交叉的结果，而非普遍的平衡态值。
• 粗糙度振幅随磁场减小而显著增加，表明在较低磁场下横向涨落更强。
• 这种场依赖性振幅表明，Larkin 长度尺度上的涨落对外部磁场敏感，挑战了粗糙度振幅与磁场无关的假设。
• 数据支持一种交叉模型，其中有效粗糙度指数源于不同长度尺度上无序与弹性的相互作用。
• 本研究首次系统地揭示了蠕动 regime 中粗糙度指数与振幅的场依赖性，解决了长期存在的解释模糊性。