Создание многослойных металлических пленок для изучения динамики киральных спиновых структур

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

С помощью установок магнетронного напыления, контактной и бесконтактной фотолитографии изготовлены тонкопленочные структуры с токопроводящими контактами разного профиля на основе металлических наноструктур типа тяжелый металл-ферромагнетик. Из данных по намагниченности и спинового эффекта Холла определены параметры эффективного перемагничивания и величина токоиндуцированного поля. Проведено моделирование токоиндуцированной динамики скирмионов для ферро- и ферримагнитных слоев. Результаты работы представляют интерес для изучения спин-транспортных эффектов и разработки методов управления спиновыми текстурами в многослойных пленках, перспективных для создания новых электронных элементов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Телегин

ФГБУН Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: telegin@imp.uran.ru
ORCID iD: 0000-0001-7209-4307

к.ф.-м.н., нач. лаб., рук. проекта

Россия, Екатеринбург

Т. Н. Павлов

ФГБУН Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: telegin@imp.uran.ru
ORCID iD: 0009-0004-5667-7616

вед. электронщик

Россия, Екатеринбург

В. М. Цвелиховская

ФГБУН Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: telegin@imp.uran.ru
ORCID iD: 0009-0000-4959-5701

мл. науч. сотр.

Россия, Екатеринбург

Ж. Ж. Намсараев

Дальневосточный федеральный университет

Email: telegin@imp.uran.ru
ORCID iD: 0009-0004-1064-7948

инж.-иссл.

Россия, г. Владивосток

В. А. Антонов

Дальневосточный федеральный университет

Email: telegin@imp.uran.ru
ORCID iD: 0009-0001-0015-2413

инж.-иссл.

Россия, г. Владивосток

А. В. Огнев

Сахалинский государственный университет

Email: telegin@imp.uran.ru
ORCID iD: 0000-0002-1619-3666

д.ф.-м.н., проф., проректор

Россия, г. Южно-Сахалинск

Список литературы

  1. Фетисов Ю.К., Сигов А.С. Спинтроника: физические основы и устройства // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2018. Т. 10. №. 3. С. 343–356.
  2. Stashkevich A.A. Spin-orbitronics a novel trend in spin-oriented electronics // J. Russ. Univ. Radioelectron. Moscow. 2019. Vol. 22. PP. 45-54. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-6-45-54
  3. Fert A., Van Dau F.N. Spintronics, from giant magnetoresistance to magnetic skyrmions and topological insulators // Comptes Rendus Physique. 2019. Vol. 20. No. 7–8. PP. 817-831. https://doi.org/10.1016/j.crhy.2019.05.020
  4. Wei W.S., He Z.D., Qu Z., Du H.F. Dzyaloshinsky–Moriya interaction (DMI)-induced magnetic skyrmion materials // Rare Metals. 2021. Vol. 40. No. 11. PP. 3076–3090. https://doi.org/10.1007/s12598-021-01746-9
  5. Bogdanov A.N., Rößler U.K. Chiral symmetry breaking in magnetic thin films and multilayers // Physical Review Letters. 2001. Vol. 87. No. 3. P. 037203. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.037203
  6. Ma M., Pan Z., Ma F. Artificial skyrmion in magnetic multilayers // Journal of Applied Physics. 2022. Vol. 132. No. 4. https://doi.org/10.1063/5.0095875
  7. Everschor-Sitte K., Masell J., Reeve R.M., Kläui M. Perspective: Magnetic skyrmions—Overview of recent progress in an active research field // Journal of Applied Physics. 2018. Vol. 124. No. 24. https://doi.org/10.1063/1.5048972
  8. Fert A., Reyren N., Cros V. Magnetic skyrmions: advances in physics and potential applications // Nature Reviews Materials. 2017. Vol. 2. No. 7. PP. 1–15. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.31
  9. Zhang X., Zhou Y., Song K.M., Park T.E., Xia J., Ezawa M., Woo S. Skyrmion-electronics: writing, deleting, reading and processing magnetic skyrmions toward spintronic applications // Journal of Physics: Condensed Matter. 2020. Vol. 32. No. 14. P. 143001. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab5488
  10. Ognev A.V., Kolesnikov A.G., Kim Y.J., Cha I.H., Sadovnikov A.V., Nikitov S.A., Soldatov I.V., Talapatra A., Mohanty J., Mruczkiewicz M., Ge Y., Kerber N., Dittrich F., Virnau P., Klaui M., Keun Y., Kim, Samardak A.S. Magnetic direct-write skyrmion nanolithography // ACS Nano. 2020. Vol. 14. No. 11. PP. 14960-14970. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c 04748
  11. Безверхний А.И., Губанов В.А., Садовников А.В., Моргунов Р.Б. Взаимодействие Дзялошинского–Мория в синтетических ферримагнетиках Pt/Co/Ir/Co/Pt // Физика твердого тела. 2021. T. 63. № 12. С. 2053–2060. https://doi.org/10.21883/FTT.2021.12.51665.120
  12. Ding J., Yang X., Zhu T. Manipulating current induced motion of magnetic skyrmions in the magnetic nanotrack // Journal of Physics D: Applied Physics. 2015. Vol. 48. No. 11. P. 115004. https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/11/115004
  13. Vansteenkiste A., Leliaert J., Dvornik M., Helsen M., Garcia-Sanchez F., Van Waeyenberge B. The design and verification of MuMax3 // AIP advance. 2014. Vol. 4. No. 10. https://doi.org/10.1063/1.4899186
  14. Bo L., Hu C., Zhao R., Zhang X. Micromagnetic manipulation and spin excitation of skyrmionic structures // Journal of Physics D: Applied Physics. 2022. Vol. 55. No. 33. P. 333001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac 6cb2
  15. Gareeva Z.V., Guslienko K.Y. Dynamics of magnetic skyrmions in nanodots // Phys. Solid State. 2018. Vol. 60. No. 6. P. 1146.
  16. Zhou Y., Iacocca E., Awad A.A., Dumas R.K., Zhang F.C., Braun H.B., Åkerman J. Dynamically stabilized magnetic skyrmions // Nature communications. 2015. Vol. 6. No. 1. P. 8193. https://doi.org/10.1038/ncomms9193
  17. Kang W., Wu B., Chen X., Zhu D., Wang Z., Zhang X., Zhou Y., Zhang Y., Zhao W. A comparative cross-layer study on racetrack memories: Domain wall vs skyrmion // ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems (JETC). 2019. Vol. 16. No. 1. PP. 1–17. https://doi.org/10.1145/3333336
  18. Telegin A.V., Namsaraev Z.Z., Bessonov V.D., Teplov V.S., Ognev A.V. Growth of thin-film magnetic nanostructures promising for spintronics applications непосредственный // Modern Electronic Materials. 2024. Vol. 10. PP. 51–57.
  19. Telegin A.V., Bessonov V.D., Lobov I.D., Teplov V.S. Efficient current-induced magnetization reversal in metallic nanostructures // Physics of the Solid State. 2023.Vol. 65. PP. 2158–2167.
  20. Kolesnikov A.G., Stebliy M.E., Ognev A.V., Samardak A.S., Fedorets A.N., Plotnikov V.S., Chebotkevich L.A. Enhancement of perpendicular magnetic anisotropy and coercivity in ultrathin Ru/Co/Ru films through the buffer layer engineering // Journal of Physics D: Applied Physics. 2016. Vol. 49. No. 42. P. 425302. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/42/425302
  21. Sinova J., Valenzuela S.O., Wunderlich J., Back C.H., Jungwirth T. Spin hall effects // Reviews of modern physics. 2015. Vol. 87. No. 4. P. 1213. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1213
  22. Telegin A., Stebliy M., Ognev A. Bessonov V., Batalov S // Indian Journal of Physics. 2024. No. 1–11.
  23. Samardak A.S., Kolesnikov A.G., Davydenko A.V. Steblii M.E., Ognev A.V. Topologically Nontrivial Spin Textures in Thin Magnetic Films // Phys. Metals Metallogr. 2022. Vol. 123. PP. 238–260. https://doi.org/10.1134/S0031918X22030097
  24. Kuchkin V.M., Chichay K., Barton-Singer B., Rybakov F.N. Blügel S., Schroers B.J., Kiselev N.S. Geometry and symmetry in skyrmion dynamics // Physical Review B. 2021. Vol. 104. No. 16. P. 165116.
  25. Batalov S.V., Bessonov V.D., Teplov V.S., Telegin A.V. An equivalent model for micromagnetic simulation of the magnetization of ferrimagnetic structures // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2024. Vol. 4. PP. 35–46. https://doi.org/10.17804/2410-9908.2024.4.035-046
  26. Sala G., Lambert C.H., Finizio S., Raposo V., Krizakova V., Krishnaswamy G., Weigand M., Raabe J., Marta D. Rossell, Martinez E., Gambardella P. Asynchronous current-induced switching of rare-earth and transition-metal sublattices in ferrimagnetic alloys. Nature Materials. 2022. Vol. 21. No 6. PP. 640–646.
  27. Guan S.H., Liu Y., Hou Z.P., Chen D.Y., Fa Z., Zeng M., Liu J.M. Optically controlled ultrafast dynamics of skyrmion in antiferromagnets. Physical Review B. 2023. Vol. 107. No. 21. P. 214429.
  28. Kim S.K., Beach G.S., Lee K.J., Ono T., Rasing T., Yang H. Ferrimagnetic spintronics // Nature materials. 2022. Vol. 21. No. 1. PP. 24–34. https://doi.org/10.1038/s41563-021-01139-4

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис.1. Пример токопроводящих холловских структур на образцах пленок (слева) и фото чипа с образцами (справа)

Скачать (240KB)
Метаданные
3. Рис.2. а – схема взаимной ориентации намагниченности в двух подрешетках MCo и MTb, поляризации спинового тока p, внешнего поля Bx и индуцированного эффективного поля BS; b – схематическое изображение эксперимента по токоиндуцированному перемагничиванию магнитоупорядоченного слоя

Скачать (107KB)
Метаданные
4. Рис.3. Переключение намагниченности подрешеток ФИМ под действием спинового тока: а – преобладание вклада ФМ подрешетки, b – состояние компенсации, с – преобладание вклада РЗ подрешетки

Скачать (572KB)
Метаданные
5. Рис.4. Диаграммы переключения намагниченности M под действием спинового тока J для ФИМ (a) и ФМ (b). Время переключения дано в цветовой шкале, где серым цветом обозначено отсутствие переключения

Скачать (415KB)
Метаданные
6. Рис.5. Переключение z-компоненты намагниченности подрешеток ФИМ под действием спинового тока: a – преобладание ФМ подрешетки, b – состояние компенсации, c – преобладание РЗ подрешетки

Скачать (262KB)
Метаданные
7. Рис.6. Изменение скорости токоиндуцированного движения скирмиона n при различных значениях плотности тока J

Скачать (592KB)
Метаданные
8. Рис.7. Время стабилизации скорости движения скирмиона в зависимости от плотности тока

Скачать (132KB)
Метаданные

© Телегин А.В., Павлов Т.Н., Цвелиховская В.М., Намсараев Ж.Ж., Антонов В.А., Огнев А.В., 2024