[论文解读] Ultrafast racetrack based on compensated Co/Gd-based synthetic ferrimagnet with all-optical switching

Pingzhi Li, Thomas J. Kools+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Magnetic properties of thin films被引用 5

一句话总结

该论文在室温下通过精确调控层厚度实现角动量补偿，展示了[Co/Gd]₂人工反铁磁多层膜中超过2000 m/s的超快电流诱导畴壁运动（CIDWM）和全光开关（AOS）。该系统实现了高速、低能耗的磁性开关，具备晶圆级集成兼容性及对热处理的鲁棒性。

ABSTRACT

Spin-orbitronics and single pulse all-optical switching (AOS) of magnetization are two major successes of the rapidly advancing field of nanomagnetism in recent years, with high potential for enabling novel, fast and energy-efficient memory and logic platforms. Fast current-induced domain wall motion (CIDWM) and single shot AOS have been individually demonstrated in different ferrimagnetic alloys. However, the stringent requirement for their composition control makes these alloys challenging materials for wafer-scale production. Here, we simultaneously demonstrate fast CIDWM and energy efficient AOS in a synthetic ferrimagnetic system based on multilayered [Co/Gd/Co/Gd]. We firstly show that AOS is present in its full composition range. We find that current-driven domain wall velocities over 2000 m/s at room temperature, achieved by compensating the total angular momentum through layer thickness tuning. Furthermore, analytical modeling of the CIDWM reveals that Joule heating needs to be treated transiently to properly describe the CIDWM for our sub-ns current pulses. Our studies establish [Co/Gd]-based synthetic ferrimagnets to be a unique materials platform for domain wall devices with access to ultrafast single pulse AOS.

研究动机与目标

• 开发一种材料平台，用于实现超快、低能耗的磁性存储器件，兼具快速畴壁运动与全光开关特性。
• 克服稀土-过渡金属合金在晶圆级生产与组分控制方面的局限性。
• 在具有可调角动量补偿的人工反铁磁体中，实现室温下高速电流诱导畴壁运动（CIDWM）。
• 在[Co/Gd]₂系统全组分范围内，实现单脉冲全光开关（AOS）的演示。
• 建立一个模型，用于描述亚纳秒电流脉冲中的瞬态焦耳加热效应，以准确描述CIDWM动力学。

提出的方法

• 在SiO₂/Si基底上制备Ta/Pt/[Co/Gd]₂/TaN多层膜结构，通过楔形Gd层调节净磁矩与角动量。
• 利用极向磁光克尔效应（MOKE）测量不同Gd厚度下的磁滞回线与内禀矫顽力。
• 通过可变激光能量的全光开关（AOS）实验，绘制沿厚度梯度的开关阈值能量密度。
• 构建一个包含焦耳加热瞬态温度分布的1D微观磁学模型，其中电流密度与温度随时间演化。
• 数值求解描述畴壁动力学的五个耦合微分方程，包含自旋转移力矩与热效应。
• 比较采用动态（时变）与静态（恒定）温度分布的模拟结果，评估亚纳秒脉冲中瞬态加热的重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 [Co/Gd]₂人工反铁磁多层膜是否能在室温下，通过全组分可调性，同时支持超快电流诱导畴壁运动与全光开关？
• RQ2 通过层厚度调控实现的角动量补偿，如何影响[Co/Gd]₂系统中畴壁速度？
• RQ3 在亚纳秒电流脉冲期间，瞬态焦耳加热在多大程度上影响该系统中畴壁运动动力学？
• RQ4 当包含动态温度演化而非假设恒定温度时，1D微观磁学模型是否能准确描述CIDWM？
• RQ5 与静态温度近似相比，动态温度分布是否能更好地再现实验测得的畴壁速度趋势？

主要发现

• 通过调节层厚度实现角动量补偿，在[Co/Gd]₂人工反铁磁体中实现了室温下超过2000 m/s的电流诱导畴壁速度。
• 全光开关（AOS）在Gd厚度梯度的整个组分范围内均被观测到，证明了全可调性与鲁棒性。
• 1D微观磁学模型表明，必须动态处理瞬态焦耳加热，才能在亚纳秒电流脉冲下准确描述CIDWM。
• 动态温度模拟比静态温度近似更准确地再现实验速度趋势，尤其在高电流密度下表现更优。
• 模型预测，将畴壁宽度从8 nm增加到12 nm可提高与实验速度的一致性，而不会改变定性趋势。
• 在动态加热条件下，由于电流脉冲期间磁性组分快速变化，畴壁速度峰值展宽，导致在多个迁移率区域间平均化。