[论文解读] Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction, surface anisotropy energy,and spin pumping at spin orbit coupled Ir/Co interface

Kim, Nam-Hui, Jung, Jinyong+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2016

Magnetic properties of thin films被引用 76

一句话总结

本研究利用布里渊散射（BLS）研究Ir/Co界面处的界面外尔-莫里亚相互作用（iDMI）、表面各向异性和自旋泵浦效应。与先前报告相反，本研究发现Ir/Co界面处的iDMI符号与Pt/Co体系相同，尽管Ir具有强自旋轨道耦合，其iDMI能量密度却更小（0.7 mJ/m²）。饱和磁化强度和垂直磁各向异性显著增强，且由于界面处强自旋轨道耦合，自旋泵浦使1.5 nm Co的吉尔伯特阻尼常数从0.012增加至0.024。

ABSTRACT

The interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (iDMI), surface anisotropy energy, and spin pumping at the Ir/Co interface are experimentally investigated by performing Brillouin light scattering. Contrary to previous reports, we suggest that the sign of the iDMI at the Ir/Co interface is the same as in the case of the Pt/Co interface. We also find that the magnitude of the iDMI energy density is relatively smaller than in the case of the Pt/Co interface, despite the large strong spin-orbit coupling (SOC) of Ir. The saturation magnetization and the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) energy are significantly improved due to a strong SOC. Our findings suggest that an SOC in an Ir/Co system behaves in different ways for iDMI and PMA. Finally, we determine the spin pumping effect at the Ir/Co interface, and it increases the Gilbert damping constant from 0.012 to 0.024 for 1.5 nmthick Co.

研究动机与目标

• 通过实验确定Ir/Co界面处界面外尔-莫里亚相互作用（iDMI）的符号与大小，以挑战先前相互矛盾的报告。
• 研究Ir/Co中强自旋轨道耦合（SOC）对垂直磁各向异性（PMA）、饱和磁化强度和自旋泵浦的影响。
• 利用布里渊散射（BLS）测量自旋泵浦效应及其对吉尔伯特阻尼的影响。
• 阐明自旋轨道耦合在iDMI、PMA、近邻诱导磁化及自旋泵浦中各自的作用是否相互独立或存在关联。

提出的方法

• 在SiO2基底上制备楔形Ta(4 nm)/Ir(4 nm)/Co(tCo)/AlOx(2 nm)异质结构，Co厚度从1至3 nm。
• 使用p偏振532 nm激光进行BLS测量，激发面内波矢kx = 0.0167 nm⁻¹的Damon-Eshbach表面自旋波。
• 通过测量斯托克斯与反斯托克斯峰之间的频率差（Δf）提取iDMI能量密度，公式为Δf = 2γD / (πMs kx)。
• 进行角度依赖的Δf测量（θα从-90°至+90°），通过Δf(θα) = Δf₀ sinθα的正弦拟合确认iDMI符号。
• 通过Keff × tCo与tCo的线性拟合提取饱和磁化强度（Ms）和有效各向异性（Keff）。
• 从BLS共振峰的半高全宽（FWHM）提取吉尔伯特阻尼常数α，并通过外推至tCo⁻¹ = 0获得体相Co的阻尼常数（αbulk）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ir/Co界面处的界面外尔-莫里亚相互作用（iDMI）的符号与大小是什么？与Pt/Co体系相比有何差异？
• RQ2 Ir中强自旋轨道耦合如何影响Co的垂直磁各向异性（PMA）和饱和磁化强度？
• RQ3 Ir/Co界面处的自旋泵浦在多大程度上增强了吉尔伯特阻尼常数？
• RQ4 自旋轨道耦合对iDMI、PMA和自旋泵浦的贡献是相互依赖还是彼此独立的？

主要发现

• Ir/Co界面处的iDMI能量密度为0.7 mJ/m²，显著低于Pt/Co/AlOx中的1.3 mJ/m²和Ta/Pt/Co/AlOx中的1.7 mJ/m²。
• Ir/Co界面处iDMI的符号与Pt/Co体系相同，与先前声称符号相反的报告相矛盾。
• 由于强自旋轨道耦合和近邻效应，饱和磁化强度（Ms）和有效垂直磁各向异性（Keff）显著增强。
• 由于Ir/Co界面处的自旋泵浦，1.5 nm Co的吉尔伯特阻尼常数从0.012（体相Co）增加至0.024。
• α随tCo⁻¹的变化关系证实自旋泵浦是阻尼增强的主要原因，且αbulk ≈ 0.012与体相Co的值（0.011）一致。
• 排除了双磁子散射和iDMI诱导阻尼的贡献，确认自旋泵浦是线宽展宽的主要原因。