[论文解读] Time resolved imaging of the non-linear bullet mode within an injection-locked spin Hall nano-oscillator

Timothy Spicer, P. S. Keatley+9 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2018

Magnetic properties of thin films被引用 1

一句话总结

本研究利用时间分辨扫描克尔显微镜，可视化了在直流与射频电流注入下自旋霍尔纳米振荡器（SHNO）中的非线性‘子弹’模式。结果揭示了在较高直流电流下，该子弹模式表现出阈值驱动的特性，其移动性和尺寸随之增加，这可能是由于器件中心区域局部加热导致自旋转移扭矩减小所致；而纵向MOKE成像则因金电极边缘的伪影而受到影响。

ABSTRACT

Time-resolved scanning Kerr microscopy has been used to image large amplitude precessional magnetization dynamics within a spin Hall nano-oscillator (SHNO). The SHNO was formed from a 4 micron diameter Py(5 nm)/Pt(6 nm) mesa defined upon a $Al_2O_3$ substrate, with triangular Au(150 nm) contacts overlaid. Injection of an RF current was used to phase lock the SHNO to the repetition rate of the laser system. Time resolved imaging revealed that injection of DC current leads to excitation of a non-linear `bullet' mode with a clear threshold behaviour, that can be separated from the small amplitude Ferromagnetic resonance (FMR) induced by the RF current. The out of plane magnetization component is readily detected by means of the polar magneto optical Kerr effect (MOKE). However images obtained by means of longitudinal MOKE measurements are dominated by an artifact arising from the edges of the Au contacts. Micromagnetic simulations suggest that the diameter of the bullet mode is significantly smaller than that of the focused laser spot. Nevertheless, as the DC current is increased above the threshold value, the image of the bullet mode is found to increase in size, suggesting that the bullet becomes increasingly mobile and exhibits significant translational motion relative to the centre of the device. This behaviour may be driven by a reduction of the spin transfer torque at the centre of the device due to heating effects.

研究动机与目标

• 可视化在直流与射频电流共同注入下自旋霍尔纳米振荡器（SHNO）中的非线性磁化动力学。
• 区分由射频电流激发的小振幅铁磁共振（FMR）模式与大振幅子弹模式。
• 研究子弹模式的空间演化及其随直流电流变化的移动性。
• 识别并减轻金电极边缘引起的纵向磁光克尔效应（MOKE）测量中的成像伪影。
• 将实验观测结果与微磁模拟相关联，以理解子弹模式行为的起源。

提出的方法

• 采用时间分辨扫描克尔显微镜对具有亚纳秒时间分辨率的进动磁化动力学进行成像。
• 在蓝宝石衬底上制备了直径为4 µm的Py(5 nm)/Pt(6 nm)台面结构，并使用三角形Au(150 nm)电极实现电注入。
• 通过注入射频电流，将SHNO相位锁定至激光重复频率，从而实现同步的时间分辨成像。
• 采用偏振和纵向MOKE构型分别检测垂直分量和面内磁化分量。
• 进行微磁模拟以建模子弹模式的尺寸和动力学行为，并与实验观测结果进行比较。
• 在阈值以上逐步增加直流电流，研究子弹模式空间范围和移动性的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在阈值以上施加直流电流时，如何激发并改变SHNO中子弹模式的空间特性？
• RQ2 随着直流电流增加，子弹模式表观尺寸增大的原因是什么？
• RQ3 为何纵向MOKE信号被金电极边缘的伪影主导，这对模式检测有何影响？
• RQ4 子弹模式相对于器件中心表现出多大程度的平动运动？
• RQ5 局部加热在改变自旋转移扭矩并促进子弹模式移动性方面起什么作用？

主要发现

• 在直流电流注入下，子弹模式表现出明确的阈值行为，与射频电流激发的小振幅FMR模式明显不同。
• 通过偏振MOKE可清晰检测到子弹模式的垂直磁化分量，证实其具有进动特性。
• 纵向MOKE图像被金电极边缘的伪影主导，掩盖了真实的磁化动力学。
• 子弹模式的表观尺寸随直流电流增加而增大，表明其移动性增强，并相对于器件中心发生平动。
• 微磁模拟表明，子弹模式实际尺寸小于激光光斑，暗示观测到的尺寸增大源于运动而非空间展宽。
• 移动性的增强可能源于器件中心区域因局部加热导致自旋转移扭矩减小。