[论文解读] Perpendicular magnetic anisotropy in insulating ferrimagnetic gadolinium iron garnet thin films

Hannes Maier-Flaig, Stephan Geprägs+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用 8

一句话总结

本研究通过调节温度，在绝缘GdIG薄膜中实现了无电场控制的磁各向异性，近补偿温度（T_comp ≈ 285 K）时，磁各向异性由平面内转变为垂直。利用SQUID磁强计和宽带铁磁共振（FMR），作者定量识别出有效各向异性场的符号反转，并揭示在T_comp附近，非均匀展宽和吉尔伯特阻尼均显著增强，为低损耗全光开关器件的应用提供了可能。

ABSTRACT

We present experimental control of the magnetic anisotropy in a gadolinium iron garnet (GdIG) thin film from in-plane to perpendicular anisotropy by simply changing the sample temperature. The magnetic hysteresis loops obtained by SQUID magnetometry measurements unambiguously reveal a change of the magnetically easy axis from out-of-plane to in-plane depending on the sample temperature. Additionally, we confirm these findings by the use of temperature dependent broadband ferromagnetic resonance spectroscopy (FMR). In order to determine the effective magnetization, we utilize the intrinsic advantage of FMR spectroscopy which allows to determine the magnetic anisotropy independent of the paramagnetic substrate, while magnetometry determines the combined magnetic moment from film and substrate. This enables us to quantitatively evaluate the anisotropy and the smooth transition from in-plane to perpendicular magnetic anisotropy. Furthermore, we derive the temperature dependent $g$-factor and the Gilbert damping of the GdIG thin film.

研究动机与目标

• 通过实验演示在无外加磁场条件下，温度诱导绝缘GdIG薄膜中磁各向异性从平面内到垂直的转变。
• 利用独立技术定量测定磁各向异性和其温度依赖性，分离薄膜与基底的贡献。
• 研究GdIG中g因子和吉尔伯特阻尼的温度演化，特别是在补偿温度附近的特性。
• 确定所观察到的各向异性转变是否创造了磁绝缘体中全光开关的有利条件。
• 在宽带FMR谱中分离本征阻尼与非均匀展宽的贡献。

提出的方法

• 采用SQUID磁强计测量磁滞回线，确定磁各向异性易轴随温度的变化。
• 使用宽带铁磁共振（FMR）光谱技术，独立提取有效各向异性场、g因子和线宽分量，不受顺磁性基底的影响。
• 应用模型将FMR线宽分解为非均匀展宽（Δω₀）和吉尔伯特型阻尼（α），利用频率依赖关系Δω = 2α·ω_res + Δω₀。
• 从FMR共振场和频率计算有效磁化强度和各向异性场，实现对各向异性演化过程的定量分析。
• 将观察到的各向异性转变与净磁化强度及亚晶格贡献（Gd和Fe离子）的温度依赖性相关联。
• 使用布里渊函数模拟Gd亚晶格磁化的温度演化及其对净磁化强度和各向异性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在绝缘GdIG薄膜中，磁各向异性是否可在无外加磁场条件下可逆地在平面内与垂直构型之间切换？
• RQ2 有效各向异性场如何随温度演化？从平面内到垂直各向异性的转变由何原因引起？
• RQ3 GdIG中g因子和吉尔伯特阻尼的温度依赖性如何？它们与补偿温度有何关联？
• RQ4 非均匀展宽与本征阻尼在FMR线宽中分别贡献多大程度？它们在T_comp附近如何变化？
• RQ5 所观察到的各向异性转变是否能为磁绝缘体中的全光开关创造合适条件？

主要发现

• 在GdIG薄膜中，随着温度升高，磁各向异性由平面内转变为垂直，转变发生在T_comp ≈ 285 K附近，SQUID磁强计与FMR测量结果一致确认。
• 有效各向异性场在T ≈ 190 K时发生符号反转，直接通过FMR共振场位移观察到，表明磁各向异性由平面内转变为垂直。
• 非均匀线宽（Δω₀）从10 K时的390 MHz增加到250 K时的6350 MHz，增幅超过一个数量级，且在T_comp附近达到峰值。
• 吉尔伯特阻尼参数α在T_comp附近增加一个数量级，表明本征自旋弛豫过程显著增强。
• g因子随温度升高显著降低，与文献结果一致，归因于Gd和Fe亚晶格g因子的差异。
• FMR线宽分解结果证实，非均匀展宽与吉尔伯特型阻尼均对总线宽有显著贡献，其中后者在T_comp附近表现出强烈的温度依赖性。