Исследование механизма токоиндуцированного переключения намагниченности в инверсно-симметричных структурах на примере Ru/Co/Ru

Название проекта:

Исследование механизма токоиндуцированного переключения намагниченности в инверсно-симметричных структурах на примере Ru/Co/Ru

Номер проекта:

18-32-00867

Код конкурса:

мол_а

Руководитель:

Стеблий Максим Евгеньевич

Сроки выполнения проекта:

22.03.2018 – 30.04.2020

Основные полученные результаты:

В работе проведено экспериментальное исследование токоиндуцированного перемагничивания структуры Ru/Co/Ru и Ru/Co/Ru/W, Рис.1a,b. Актуальность исследования обусловлена отсутствием информации о подобной структуре, а также нехарактерно малыми значениями коэрцитивной силы и поля анизотропии. В рассмотренной структуре спин-поляризованные электроны инжектируются в ферромагнитный слой из слоя Ru и W. Экспериментально установлено, что добавление слоя W позволяет добиться переключения намагниченности в слое Co.

Рис.1. (a) Керр изображение исследуемого Холл бара со схематическим указанием взаимной ориентации намагниченности M, внешнего поля μ₀H^x_ext, тока I и индуцированного им поля Эрстеда μ₀H_0e и эффективного поля μ₀H^x_SOT. (b) Схема экспериментально исследованных мультислойных структур, толщина в nm. Красными стрелками отмечено направление инжекции спинового тока из слоев Ru и W. (c) Структура с локальным нанесением источника спин-поляризованного тока в виде кольца. (d) Карта плотности спинового тока в области под кольцом. (e) Переключение ориентации намагниченности под кольцом может приводить к формированию устойчивой спиновой конфигурации типа скирмиониум.

Исследование переключения намагниченности под действием тока с помощью Керр микроскопа позволило предложить метод определения величины эффективного магнитного поля, генерируемого током. Полуэмпирический метод основан на учете вкладов неоднородного поля Эрстеда и однородного поля SOT эффекта. Было получено аналитическое выражение для распределения поля Эрстеда в сечении полоски. Зная распределение этого поля и положение доменной стенки для данного значения тока, значения эффективного поля SOT эффекта может быть рассчитано [1].

Методами микромагнитного моделирования показано, что предложенный метод увеличения плотности спинового тока может быть использован локально. Метод был апробирован на задаче получения спиновой конфигурации типа скирмиониум. Нанесение кольцевого слоя металла с большим значением спиновго угла Холла позволяет локально увеличить эффективность токоиндуцированного воздействия, Рис.1с,d. Таким образом, в результате пропускания зарядового тока, можно добиться переключения ориентации намагниченности только в области под кольцом, Рис.1е. Полученная квазичастица – скирмиониум, обладает рядом свойств, потенциально позволяющим реализовать на ее основе элементы памяти и логики [2].

Научная и практическая значимость:

Разработка надежного метода локального контроля намагниченности является одним из ключевых направлений развития спинтроники. В качестве перспективного метода можно выделить токоиндуцированное перемагничивание. Оно может быть реализовано в планарных структурах, содержащих контакт тонкого ферромагнитного слоя и тяжёлого металла. Пропускание зарядового тока через такую структуру приводит к возникновению спинового тока в слое тяжёлого металла, вследствие спинового эффекта Холла, который инжектируется в слой ферромагнетика. Спин-поляризованные электроны оказывают вращательное действие на локализованные магнитные моменты. Наибольший интерес представляет случай, когда намагниченность в слое ферромагнетика ориентирована перпендикулярно плоскости, тогда действие спинового тока может привести к переключению ориентации намагниченности на противоположное (spin orbit torque) – SOT эффект. Описанное явление может быть использовано для локального контроля намагниченности и найти практическое применение в элементах магнитной памяти и логики нового поколения. Активное исследование данного механизма, в последние годы, направленно на поиск структур и оптимизацию параметров процесса, позволяющих добиться максимальной эффективности токоиндуцированного перемагничивания, а также на теоретическое объяснение механизма SOT эффекта.

Список основных публикаций:

[1] M. E. Stebliy, A. G. Kolesnikov, Advanced Method for the Reliable Estimation of Spin-Orbit-Torque Efficiency in Low-Coercivity Ferromagnetic Multilayers. Phys. Rev. App. 11, 054047 (2019). (impact factor 4,532). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.054047

[2] A.G. Kolesnikov, M.E. Stebliy, Skyrmionium – high velocity without the skyrmion Hall effect, Scientific Reports 8, 16966 (2018). (impact factor 4,011. DOI: 10.1038/s41598-018-34934-2