[论文解读] Spin Hall torque magnetometry of Dzyaloshinskii domain walls

Satoru Emori, E. Martı́nez+7 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Aug 6, 2013

Magnetic properties of thin films参考文献 3被引用 68

一句话总结

本研究采用自旋霍尔力矩磁测量技术，研究了具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的重金属/铁磁体异质结中电流诱导的畴壁运动。通过测量自旋霍尔力矩的方位依赖性以及在面内磁场下的磁化结构，作者证明了Ta与Pa之间的DMI强度相差达20倍，导致在传统材料中未观察到的显著畴壁畸变，为手性自旋电子学器件提供了关键见解。

ABSTRACT

Current-induced domain wall motion in the presence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) is experimentally and theoretically investigated in heavy-metal/ferromagnet bilayers. The angular dependence of the current-induced torque and the magnetization structure of Dzyaloshinskii domain walls are described and quantified simultaneously in the presence of in-plane fields. We show that the DMI strength depends strongly on the heavy metal, varying by a factor of 20 between Ta and Pa, and that strong DMI leads to wall distortions not seen in conventional materials. These findings provide essential insights for understanding and exploiting chiral magnetism for emerging spintronics applications.

研究动机与目标

• 实验和理论上研究在重金属/铁磁体异质结中存在Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）时的电流诱导畴壁运动。
• 量化在面内磁场下自旋霍尔力矩的方位依赖性以及Dzyaloshinskii畴壁的磁化结构。
• 确定DMI强度如何随不同重金属的变化及其对畴壁形态的影响。
• 为未来自旋电子学器件设计提供手性磁性的系统性理解。

提出的方法

• 采用自旋霍尔力矩磁测量技术，测量Pt/Co/Ta和Ta/Co/Ta异质结中电流诱导的力矩。
• 系统测量自旋霍尔力矩的方位依赖性随面内磁场方向的变化。
• 利用面内磁场探测Dzyaloshinskii畴壁的磁化结构，以提取DMI强度和壁形貌。
• 采用理论建模解释实验数据，并量化DMI对畴壁动力学的贡献。
• 对不同重金属（包括Ta和Pa）的DMI强度进行对比分析。
• 该方法可实现DMI强度与畴壁畸变效应的同步量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Pt/Co/Ta和Ta/Co/Ta异质结中，Ta与Pa等不同重金属之间的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用强度如何变化？
• RQ2 在存在DMI和面内磁场的情况下，自旋霍尔力矩的方位依赖性如何？
• RQ3 强DMI如何导致在传统材料中未观察到的畴壁结构畸变？
• RQ4 在面内磁场下，自旋霍尔力矩在Dzyaloshinskii型畴壁中驱动畴壁运动的程度如何？
• RQ5 DMI强度与观测到的畴壁磁化剖面之间存在何种关系？

主要发现

• 在重金属/铁磁体异质结中，钽（Ta）与镤（Pa）之间的DMI强度相差达20倍。
• 强DMI导致畴壁剖面出现显著畸变，这种现象在DMI较弱的传统材料中未被观测到。
• 自旋霍尔力矩的方位依赖性与DMI强度及畴壁磁化结构定量相关。
• 实验数据与包含DMI效应的理论模型在自旋霍尔力矩驱动的畴壁运动中具有良好一致性。
• 本研究建立了一种直接的实验方法，利用自旋霍尔力矩磁测量技术同步测量DMI强度与畴壁结构。
• 研究结果为设计下一代自旋电子学器件提供了关键的定量手性磁性见解。