Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 1, с. 34-38 © 2015г. 10 января
Аномально высокая скорость индуцированного током движения доменных границ в бислойных структурах пермаллой—ниобий
С. В. Егоров+, А. М. Бобков+, И. В. Бобкова+*, Л. С. Успенская+ V
+ Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Россия * Московский физико-технический институт, 141700 Долгопрудный, Россия
Поступила в редакцию 24 ноября 2014 г.
После переработки 26 ноября 2014 г.
В широком диапазоне температур исследовано движение доменных границ в бислойных полосках пермаллой-ниобий под действием пропускаемого вдоль полосок электрического тока, а также под действием магнитного поля. Обнаружено, что при понижении температуры от комнатной до гелиевой в одних и тех же структурах наблюдается стократный рост скорости индуцированного транспортным током движения доменных границ, но при этом имеет место стократное снижение скорости и возрастание коэрцитивности при их движении под действием магнитного поля. Установлено, что максимальная скорость движения границ многократно превышает уокеровский предел.
БО!: 10.7868/80370274X15010075
Возможность управления магнитными или рези-стивными характеристиками гибридных структур с помощью протекающего по ним электрического тока открывает широкие перспективы создания новых энергоэффективных элементов записи и считывания информации, нового типа логических устройств и переключателей [1—3]. В связи с этим в последние годы большое внимание уделяется влиянию спин-поляризованного тока на магнитную доменную структуру, в частности на перемещение током магнитных доменных границ. Выяснены механизмы давления тока на границы, продемонстрирована высокая скорость смещения границ [4-7], показано существование предельной скорости, выше которой возникают осцилляции смещения [8]. При реализации гибридных структур, использующих эффекты гигантского магнитосопротивления [3], эффект Джо-зефсона [9], перенос спин-орбитального момента [10], приходится иметь дело с бислойными и многослойными тонкопленочными структурами на основе ферромагнетиков, нормальных металлов и сверхпроводников. В настоящей работе методом магнитооптической визуализации были исследованы бислойные гибридные структуры ферромагнетик-нормальный металл (сверхпроводник). Впервые в диапазоне температур от комнатной до гелиевой наблюдалось движение доменных границ в ферромагнетике под действием импульсов транспортного тока и были определены характеристики их движения. Было установлено,
Чe-mail: uspenska@issp.ac.ru
что как при движении под действием магнитного поля, так и при смещении под действием тока соответствующие зависимости скорости границ от величины поля, V(H), и от силы тока, V{I), носят существенно нелинейный характер: движение границ начинается пороговым образом, а его скорость нелинейно возрастает с увеличением Huí. Однако влияние температуры Т на подвижность доменных границ, продвигаемых током и смещаемых полем, принципиально отличается: скорость доменных границ при движении под действием поля падает при понижении температуры по степенному закону, а при движении под действием тока - возрастает. Коэрцитивность же экспоненциально возрастает при смещении границ полем и слабо зависит от температуры при воздействии током.
Эксперименты проводились на гибридных тонкопленочных структурах пермаллой-ниобий (Py-Nb), приготовленных методом магнетронного осаждения на окисленные кремниевые подложки в присутствии плоскостного магнитного поля ~ 1000 Э. Такое поле обеспечивало наведенную плоскостную анизотропию, достаточную для удержания намагниченности в плоскости пленок пермаллоя. Оба слоя осаждались в едином вакуумном цикле. Толщины слоев Ру и Nb составляли dpy = 40 нм и d-^ъ = 100 нм соответственно. Исходно структуры находились в однородно намагниченном состоянии. Намагниченность была ориентирована вдоль направления поля, приложенного к ферромагнетику в процессе его осаждения. После перемагничивания плоскостным полем любого на-
правления намагниченность оставалась направленной вдоль этого выделенного направления. Перемаг-ничивание происходило за счет зарождения на краю пленок 180-ти градусных границ блоховского типа с последующим поворотом намагниченности к направлению поля [11].
Из осажденных бислойных пленок методом взрывной литографии формировались структуры в виде полосок длиной 1мм и шириной 7мкм (рис. 1). Длинные стороны полосок были ориентированы
Рис. 1. Меандр-образная структура для исследования движения доменных границ под действием продольного тока. В левом нижнем и правом верхнем углах виден подвод токовых контактов. Образец покрыт прозрачным индикатором, поэтому сама структура и ее магнитная доменная структура видны одновременно. Пронумерованные белые и черные пятна на полосках соответствуют магнитным доменным границам, разделяющим домены со встречной (1, 4, 7) и расходящейся (2, 3, 5, б, 8) намагниченностью. Также показана схема, поясняющая направления векторов спонтанной намагниченности в окрестности одной из доменных границ, выделенной черной рамкой на изображении структуры с доменными границами в ней
вдоль направления анизотропии. Полоски (по 5 штук) объединялись в меандры, к концам которых подводились токовые контакты, изготовленные из того же материала (рис. 1).
Как и в работе [11], магнитооптическая визуализация доменных границ производилась в поляризационно-оптическом микроскопе с помощью индикаторных пленок, помещаемых на поверхность исследуемых образцов. В качестве индикаторов использовались пленки иттрий-железистого граната с плоскостной анизотропией и большой константой Верде. Визуализировались поля рассеяния над доменными границами и на краях полосок, обусловливающие локальное вращение плоскости поляризации отраженного от индикатора света и приводящие к локальному просветлению или потем-
нению изображения, полученного при наблюдении в отраженном поляризованном свете в раскрещенных на несколько градусов поляризаторе и анализаторе. Для улучшения контраста изображения при его записи на цифровую камеру SDU-285 использовалось вычитание фона. При таком наблюдении контраст (светлый или темный) изображения доменных границ зависит от направления перпендикулярной компоненты магнитной индукции над границами. Детали визуализации и расшифровки типа доменных границ подробно описаны в работе [11]. Кроме того, по величине смещения границ 6Х за заданный интервал времени St между последовательными кадрами захваченного камерой изображения определялась скорость движения границ V = SX/St, как это делалось ранее в работе [12]. Моменты захвата изображения синхронизировались с импульсами поля и тока.
Следует отметить, что яркий симметричный контраст изображения доменных границ, яркий контраст на торцах полосок и отсутствие просветления (потемнения) на боковых сторонах полосок (рис. 1) подтверждают, что намагниченность в наших структурах ориентирована вдоль полосок, а в доменных границах разворот намагниченности на 180° осуществлялся через перпендикулярное плоскости полосок направление.
При приложении импульсного продольного магнитного поля доменные границы начинали двигаться после превышения полем некоторого порогового значения (коэрцитивности доменной границы Нс), рис. 2. По мере понижения температуры коэрцитив-ность, как и в работе [13], экспоненциально возрастала, варьируясь от 100 А/м при комнатной температуре до 4500 А/м при 12 К. Смещение X(t) границ во времени было неравномерным. Оно начиналось с задержкой т по времени. Величина задержки зависела от величины приложенного поля и от температуры, варьируясь от десятка мс при низкой температуре до десятков мкс при комнатной (нижняя вставка на рис.2). Вначале движение границы происходило с квазипостоянной скоростью. Затем она замедлялась и останавливалась. Таким образом, функция X(t) имела вид импульса с затянутым фронтом нарастания и с максимальной скоростью изменения Vh в начале импульса. Скорость Vh оказалась нелинейной функцией приложенного поля, которая сначала резко увеличивалась при превышении полем порогового значения Нс, а затем насыщалась в полях порядка 8000 А/м (верхняя вставка на рис. 2). При комнатной температуре максимальная скорость движения границ Vh (300 К)
5000
4000 -
а зооо -
£
^ 2000
£
юоо 1 о
о'
^20
С/3
1 15 ^ 10
5
\ О
300 К
а' .о-
.-О
60 к
• О О
12 К
12 К ь/
'"О
-60 К
зоо "О- -сц-й: "Я
2 4 *
2 4 Н (103 А/т)
40
Г (К)
400
Рис. 2. Температурная зависимость коэрцитивности доменных границ, движущихся под действием импульсного магнитного поля. На нижней вставке - зависимость задержки начала движения границ от величины импульса поля при температурах 12, 60 и 300 К. На верхней вставке - зависимость скорости движения границ от величины импульса поля при тех же температурах. Пунктирные линии проведены для удобства восприятия
не превышала 20 м/с. При понижении температуры она значительно уменьшалась: Ун-(ЗОК) ~ 1.9 м/с, Ун"(12К) ~ 0.6 м/с (вставка на рис. 2 и рис.3).
10000 1000 100 10 1
1
0.1
- Ч-
; т VI
-
1
40
Г (К)
400
Рис. 3. Температурные зависимости скорости движения границ при их возбуждении магнитным полем (Ун) и электрическим током (Уг). Прямые линии - экстраполяция степенными зависимостями (показатели степени указаны на графиках)
При приложении импульсов электрического тока доменные границы начинали смещаться, если плотность тока была выше jo = Ю7 А/см2. Направление смещения границ определялось направлением тока. Последовательные импульсы тока одного знака сме-
щали границы в одном и том же направлении. Смена направления тока приводила к смене направления движения границ. Нам не удалось зафиксировать временных задержек начала смещения границ после приложения импульсов тока. Если таковые и были, то они не превосходили 1 мкс. Изменение длительности импульсов тока в пределах 1 мкс—100 мс не приводило к увеличению смещения границ, т.е. реальное время движения границ под действием импульсов тока было меньше 1 мкс при любой длительности импульсов. Уменьшение фронта нарастания тока от 0.5 до 0.05 мкс, как и увеличение амплитуды имп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.