[论文解读] Gyrotropic resonance of individual Néel skyrmions in Ir/Fe/Co/Pt multilayers

Bhartendu Satywali, Fusheng Ma+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

本研究利用铁磁共振光谱法，在室温下对Ir/Fe/Co/Pt多层膜中的单个Néel型自旋涡旋结构，识别出一种稳定的旋涡共振模式。该共振源于自旋涡旋的逆时针进动，由于层间偶极耦合与易轴各向异性的共同作用，其频率显著下移，从而在存在磁性不均匀性与颗粒状结构的背景下仍可被探测到。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are nanoscale spin structures recently discovered at room temperature (RT) in multilayer films. Employing their novel topological properties towards exciting technological prospects requires a mechanistic understanding of the excitation and relaxation mechanisms governing their stability and dynamics. Here we report on the magnetization dynamics of RT Néel skyrmions in Ir/Fe/Co/Pt multilayer films. We observe a ubiquitous excitation mode in the microwave absorption spectrum, arising from the gyrotropic resonance of topological skyrmions, and robust over a wide range of temperatures and sample compositions. A combination of simulations and analytical calculations establish that the spectrum is shaped by the interplay of interlayer and interfacial magnetic interactions unique to multilayers, yielding skyrmion resonances strongly renormalized to lower frequencies. Our work provides fundamental spectroscopic insights on the spatiotemporal dynamics of topological spin structures, and crucial directions towards their functionalization in nanoscale devices.

研究动机与目标

• 理解室温下Ir/Fe/Co/Pt多层膜中单个Néel型自旋涡旋的磁化动力学行为。
• 识别并表征在不同温度与成分下均保持稳定的自旋涡旋本征激发模式。
• 阐明界面与层间磁相互作用在塑造自旋涡旋共振谱中的作用。
• 建立多层膜磁相互作用与拓扑自旋织构稳定性及动力学之间的机理联系。
• 通过对其动态响应的光谱调控，实现纳米尺度器件中自旋涡旋的功能化。

提出的方法

• 对溅射制备的[Ir(10)/Fe(x)/Co(y)/Pt(10)]20多层膜（Fe与Co厚度可调）进行铁磁共振（FMR）光谱测量。
• 通过微磁模拟方法建模自旋涡旋动力学，并验证实验观测到的共振模式。
• 采用解析计算推导层间偶极耦合与易轴各向异性对自旋涡旋共振频率的影响。
• 利用洛伦兹拟合FMR谱线，提取共振场、线宽及有效阻尼参数。
• 开展温度依赖的FMR测量（100–300 K），研究共振模式的热力学演化行为。
• 将实验测得的色散数据与使用温度相关材料参数的零温微磁模拟结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，Ir/Fe/Co/Pt多层膜中Néel型自旋涡旋的微波吸收由何种本征激发模式引起？
• RQ2 层间偶极耦合与界面各向异性如何影响自旋涡旋旋涡模式的频率与稳定性？
• RQ3 为何在多层膜体系中存在磁性不均匀性与颗粒状结构的情况下，逆时针（CCW）旋涡模式仍表现出鲁棒性？
• RQ4 CCW模式的共振色散如何随温度演化？其背后的热力学起源是什么？
• RQ5 能否在器件应用中将旋涡共振从自旋波连续谱中功能上分离？

主要发现

• 在100–300 K的宽温度范围与多种样品成分下，FMR谱中均观测到稳定的逆时针（CCW）旋涡共振模式。
• 由于层间偶极耦合与易轴各向异性的协同作用，CCW模式的频率显著下移，使其远离自旋波连续谱。
• CCW模式的共振色散从100 K增至300 K时增强约5倍，与有效各向异性（K_eff从0.01增至0.2 MJ/m³）的20倍增长密切相关。
• 零温下的微磁模拟再现了实验中观察到的CCW模式色散随K_eff增加而增大的趋势，表明频率偏移具有非热起源。
• FM模式与自旋涡旋晶格（LS）模式的温度依赖性极小，而CCW模式则表现出显著的温度驱动色散变化。
• 所观测到的共振在广泛的热力学参数范围内保持稳定，证实了在磁性不均匀的颗粒状磁性环境中，单个自旋涡旋结构的稳定性。