Gerakan Dinding Domain yang Diinduksi Saat Ini dan Memiringkan di Lintasan Balap Bermagnet Tegak Lurus

Hasil dan Diskusi

Berdasarkan model kiral Néel DW, pertama-tama kami menyelidiki loop Hall anomali di bawah bidang bias dalam bidang H _x untuk mendapatkan kekuatan DMI dan efisiensi SOT (lihat file Tambahan 1). Bidang efektif DMI yang diperoleh (H _DMI ) untuk Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta masing-masing sekitar 1370 dan 1055 Oe. χ . jenuh (χ ^sab ) berdiri untuk efisiensi SOT terbesar adalah sekitar 10,0 dan 8,3 Oe/(10 ⁶ A/cm ² ) masing-masing untuk Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta. Penurunan χ ^sab untuk Pt/Co/C/Ta mungkin dalam beberapa interdifusi dan reaksi kimia dari antarmuka antara Co dan C serta antarmuka antara C dan Ta meningkatkan kemungkinan spin flipping dan mengurangi injeksi efektif arus spin dari atas Ta . Selain itu, kekuatan konstanta pertukaran DMI |D | dapat juga dihitung dari pengukuran |H _DMI | menggunakan |D | = μ ₀ A _s ∆ |H _DMI | [26], di mana ∆ adalah lebar DW dan berhubungan dengan konstanta kekakuan pertukaran A dan kepadatan energi PMA yang efektif K _eff melalui ∆ = (A /K _eff ) ^1/2 . Menggunakan M _s (masing-masing sekitar 1,213×10 ⁶ dan 1.288×10 ⁶ A/m untuk Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta) dan K _eff (masing-masing sekitar 4,1×10 ⁵ dan 2,1×10 ⁵ J/m ³ untuk Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta) seperti yang dilaporkan dalam pekerjaan sebelumnya dan dengan asumsi A 1. 5 × 10 ⁻¹¹ J/ m [27], kami memperkirakan |D | = 1.01 ± 0.16 mJ/ m ² untuk Pt/Co/Ta dan |D | = 1.15 ± 0.14 mJ/ m ² untuk Pt/Co/C/Ta. Perbedaan |D | nilai tampaknya lemah dalam dua sampel ini. Ini dapat dijelaskan dengan bahwa kekuatan DMI total dihasilkan dari dua kontribusi antarmuka Pt/Co bawah dan antarmuka Co/Ta atau Co/C atas. Karena antarmuka Pt/Co bawah sangat mirip, mereka berkontribusi sama pada |D |. Sedangkan untuk kontribusi dari antarmuka Co/Ta atau Co/C teratas, Ma et al. [28] melaporkan bahwa |D | yang diinduksi oleh Ta jauh lebih lemah daripada yang diinduksi oleh Pt. Oleh karena itu, antarmuka Co/Ta teratas lemah untuk kontribusi total |D |. Dan kontribusi dari antarmuka Co/C atas juga dapat diabaikan karena kopling spin-orbit C yang sangat lemah. Perlu diketahui juga bahwa antarmuka Pt/Co bawah dan Co/Ta atas berkontribusi pada DMI tetapi sebagian dapat membatalkan satu sama lain [28], mengarah ke |D . yang sedikit menurun | untuk sampel Pt/Co/Ta dibandingkan dengan sampel Pt/Co/C/Ta. Akibatnya, |D . yang serupa | untuk sampel Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta mengungkapkan bahwa kekuatan DMI terutama berasal dari kontribusi antarmuka Pt/Co. Selain itu, untuk dua sampel ini, H _DMI /H _K (masing-masing sekitar 0,2 dan 0,3 untuk Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta) lebih kecil dari 2/π. Sementara H _DMI tidak melampaui ambang batas teoritis yang diperlukan untuk menstabilkan Néel DWs [25, 26], kiral Néel DW dalam dua sampel ini ditunjukkan dengan mengamati perilaku CIDWM yang akan dibahas di bawah. Sementara itu, anomali Hall berputar di bawah bidang bias dalam bidang (H _y ) ortogonal arah arus juga diselidiki. Meskipun H large yang besar _y diterapkan, pergeseran R _Aula -H _z loop cukup kecil (lihat File tambahan 1). Bisa jadi karena itu H _y secara bertahap mengubah DW tipe Néel kiral menjadi DW tipe Bloch, dan medan efektif H _DIA hampir nol untuk DW tipe Bloch menurut rumus [10, 29, 30]:

dimana, θ _DIA , Bu , t _B , J _x , \( \widehat{m} \) dan \( \widehat{j} \) mewakili sudut putar efektif Hall, magnetisasi saturasi lapisan FM, ketebalan lapisan FM, rapat arus sepanjang x arah, vektor satuan magnetisasi dan vektor satuan rapat arus.

Selanjutnya, kecepatan DW (v ) di bawah medan magnet luar bidang dan pulsa arus dalam bidang diukur menggunakan mikroskop Kerr untuk menyelidiki perilaku gerak DW. DW yang telah disiapkan sebelumnya dibentuk menggunakan pulsa medan magnet tepat di atas medan nukleasi setelah lintasan balap jenuh pada medan magnet besar yang berlawanan. Kecepatan di bawah H _z pulsa ditunjukkan pada Gambar. 1a, b untuk dua sampel. Untuk Pt/Co/C/Ta, v masih lebih kecil dari sampel Pt/Co/Ta bahkan di bawah medan magnet penggerak yang besar. Hal ini mungkin karena lebih banyak pembentukan cacat setelah dekorasi C, yang meningkatkan bidang pinning [23]. Juga dapat dilihat bahwa lgv sebanding dengan H _z ^-1/4 , menunjukkan rezim creep gerakan DW menurut hukum creep [31]:

Kecepatan DW sebagai fungsi medan luar bidang H _z untuk Pt/Co/Ta (a ) dan Pt/Co/C/Ta (b ). Sisipan dalam a dan b mewakili snapshot domain di bidang yang berbeda untuk menunjukkan bentuk DW

dimana U _C adalah energi karakteristik yang terkait dengan potensi menjepit yang diinduksi gangguan, k _B adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu, dan H _deep adalah medan penahan di mana energi Zeeman sama dengan energi penahan DW. Kemiringan pas memberikan pengukuran \( \frac{U_c}{k_BT}{H_{dep}}^{1/4}=s \), s sekitar 37,4 dan 76,5 Oe ^1/4 masing-masing untuk Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta. Sejak H _deep untuk Pt/Co/C/Ta dua kali lebih besar dari Pt/Co/Ta [23], selisih H _deep ^1/4 antara mereka lebih kecil dari 1,5. Namun, perbedaan s antara keduanya lebih besar dari 2. Ini menunjukkan bahwa sampel Pt/Co/C/Ta memiliki potensi pinning yang lebih besar, yang konsisten dengan pembahasan di atas. Selain itu, sisipan pada Gambar 1a, b juga menunjukkan cuplikan gambar domain di bawah medan magnet yang berbeda. Dapat dilihat bahwa bentuk DW menunjukkan distribusi yang lebih besar untuk Pt/Co/C/Ta daripada untuk Pt/Co/Ta. Hal ini juga menunjukkan bahwa potensi pinning tidak cukup homogen di Pt/Co/C/Ta karena dekorasi C menginduksi lokasi pinning yang terdistribusi secara acak. Sedangkan kemiringan DW reguler di bawah medan magnet tidak diamati untuk kedua sampel ini, yang berbeda dengan model koordinat kolektif teoritis [20].

Setelah itu, perilaku CIDWM juga diselidiki untuk membuat perbandingan dengan gerakan DW yang diinduksi lapangan. Domain up-to-down (UD) atau down-to-up (DU) pertama-tama dinukleasi oleh medan magnet pulsa dari keadaan jenuh, dan kemudian, arus pulsa diterapkan untuk mendorong gerakan DW menggunakan generator pulsa dengan lebar pulsa dalam kisaran 5–100 ns. Gambar 2a, b menunjukkan kecepatan CIDWM tanpa medan magnet yang diterapkan. Kecepatan positif atau negatif berarti gerakan DW sepanjang atau melawan arah arus. Ini menyiratkan pembentukan kiral Néel DW dengan keberadaan DMI dalam dua sampel ini [10, 30]. Peningkatan kecepatan pada kerapatan arus yang lebih tinggi disebabkan oleh peningkatan H _DIA bertindak pada kiral Néel DW. Namun, dibutuhkan rapat arus dua kali lebih besar untuk mencapai kecepatan DW yang sama pada Pt/Co/C/Ta dibandingkan dengan pada struktur Pt/Co/Ta. Ini dapat dianggap berasal dari penurunan efisiensi SOT dan peningkatan potensi penghalang pin oleh dekorasi antarmuka C. Selain itu, kecepatan DW dengan mengemudi saat ini adalah sekitar 10 ³ kali lebih besar dari itu dengan penggerak medan magnet dengan medan efektif yang dihasilkan saat ini menjaga nilai yang sama dengan medan magnet. Ini mengungkapkan bahwa mekanisme lain seperti pemanasan Joule dan/atau medan Oersted yang dihasilkan dari arus mungkin juga memainkan peran penting dalam CIDWM. Perlu dicatat, pada Gambar 2b serta Gambar 3c, bahwa penurunan kecepatan DW dan sudut kemiringan DW diamati pada sampel Pt/Co/C/Ta ketika rapat arus pada ± 19,2 MA/cm ² . Sementara itu, orang dapat melihat lebih banyak area nukleasi seperti titik putih atau hitam di sisipan Gambar. 2b dan 3c pada rapat arus yang lebih tinggi. Hal ini dapat dianggap bahwa termal mengaktifkan beberapa situs nukleasi acak pada kepadatan arus yang besar karena pemanasan Joule besar yang ada dan lanskap penghalang potensial pin juga dapat didistribusikan kembali, yang dapat memberikan pengaruh pada kecepatan gerak dan sudut kemiringan.

Kecepatan DW terhadap rapat arus untuk Pt/Co/Ta (a ) dan Pt/Co/C/Ta (b ). Sisipan dalam a dan b mewakili snapshot dari bentuk domain pada kerapatan arus representatif

(a ) Gambar Kerr memberikan definisi sudut kemiringan DW (ψ ) dan perubahan ψ pada kerapatan arus yang berbeda dari status "naik" ke "turun" dan "turun" ke "naik", dengan mengambil sampel Pt/Co/Ta sebagai contoh. Sudut kemiringan DW versus kerapatan arus untuk Pt/Co/Ta (b ) dan Pt/Co/C/Ta (c ). Sisipan dalam b dan c mewakili snapshot dari bentuk domain pada kepadatan arus yang berbeda

Selama gerakan DW yang diinduksi saat ini, fenomena kemiringan DW diamati dengan jelas dalam dua sampel ini dan kemiringan secara bertahap terbentuk dalam pengamatan yang bergantung pada waktu dengan pulsa pendek yang cukup sebagai kekuatan pendorong. Untuk mendapatkan wawasan tentang kemiringan DW yang diinduksi saat ini, kami mengukur sudut kemiringan DW (ψ ) yang didefinisikan pada Gambar. 3a pada kerapatan arus yang berbeda. Perlu juga dicatat bahwa sudut kemiringan mungkin sedikit berubah selama gerakan karena distribusi depinning yang lebar di sepanjang lintasan balap, yang akan menghasilkan kesalahan pengukuran yang besar pada rapat arus tertentu. Dari Gbr. 3b, c kita dapat melihat ketergantungan linier yang kasar dari sudut kemiringan pada rapat arus untuk kedua sampel. Ini setuju dengan pekerjaan teoritis sebelumnya [20], di mana kira-kira ketergantungan linier dari sudut kemiringan dan kecepatan DW pada kerapatan arus yang lebih rendah dapat diamati. Namun, sudut kemiringan DW yang besar terjadi dengan setidaknya satu orde kerapatan arus yang lebih besar dalam simulasinya. Ini tidak konsisten dengan pengamatan kami dan perilaku miring juga tidak diamati selama gerakan DW yang diinduksi lapangan dalam percobaan kami. Oleh karena itu, pengaruh DMI atau distribusi bertingkat dari penghalang potensial pin pada kemiringan DW yang diinduksi arus bisa menjadi lemah. Selain itu, efek Hall anomali juga dapat menyebabkan kemiringan DW, tetapi kontribusinya diharapkan kecil di trek balap setebal nanometer [20]. Satu penjelasan yang mungkin adalah bahwa arus yang diterapkan tidak hanya menghasilkan medan efektif spin Hall H _DIA , tetapi juga bidang Oersted (H _Terserah ) yang juga dapat menyebabkan gerakan DW. Keduanya H _DIA dan H _Terserah bisa memiliki pengaruh pada kemiringan DW. Pada Gambar. 4, kami memplot sketsa bidang efektif ini untuk memperjelas perilaku kemiringan DW. Susunan domain ditampilkan sebagai sketsa U-D-U-D, dan magnetisasi di DW dengan kiralitas kidal ditunjukkan sebagai panah hitam tipis di sepanjang orientasi dalam bidang. Di trek balap seragam tipis, jika ketebalannya (t ) jauh lebih kecil dari lebarnya (w ), H . yang dihasilkan _Terserah terkonsentrasi pada dua tepi dan komponen rata-ratanya terhadap ketebalan dapat dihitung dengan H _Terserah = ±jt [3 + 2lndengan /t ]/4π [22]. H . yang diperoleh _Terserah sekitar 19,6 dan 37,4 Oe untuk Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta menggunakan rapat arus maksimum 10,0 dan 19,2 MA/cm ² , masing-masing, yang sebanding dengan bidang efektif spin Hall H _DIA (sekitar 100,0 dan 159,4 Oe untuk Pt/Co/Ta dan Pt/Co/C/Ta pada kerapatan arus yang sama). Sejak H _DIA dan H _Terserah memiliki arah yang sama pada posisi yang ditandai sebagai bintang hijau, medan efektif yang lebih besar akan bekerja pada DW di area bintang hijau, yang menghasilkan kecepatan yang jauh lebih besar dibandingkan dengan di area berlawanan dari bintang hijau di arena pacuan kuda. Oleh karena itu, DW miring dengan bentuk trapesium tertentu dapat dibentuk seperti yang ditunjukkan pada panel kiri bawah Gambar 4. Sisipan Gambar 3b untuk Pt/Co/Ta juga jelas menunjukkan bentuk serupa pada beberapa kerapatan arus yang mewakili. Selain itu, peningkatan sudut kemiringan pada kerapatan arus yang lebih tinggi dapat dijelaskan oleh perbedaan kecepatan yang besar di kedua tepi lintasan balap karena peningkatan H _Terserah . Sementara itu, dapat ditemukan bahwa bentuk domain akan mengalami transformasi setelah pengaturan domain dan/atau polaritas arus berubah sesuai dengan analisis di atas. Semua bentuk domain sketsa pada pulsa saat ini konsisten dengan pengamatan eksperimental. Selain itu, penjelasan tentang kemiringan DW di atas juga berlaku saat pesawat H _x atau H _y diterapkan. Ketika H _x diterapkan, itu akan mengubah orientasi magnetisasi di DWs. Oleh karena itu, H _DIA akan mengubah tanda DW dengan magnetisasi horizontal aslinya berlawanan dengan H _x , yang membuat domain berbentuk trapesium mengembang atau mengecil (tergantung pada tanda H _x ) seperti yang ditunjukkan di panel tengah kanan Gbr. 4. Saat H _y diterapkan, H . yang kuat _y akan mengubah DW tipe Néel menjadi tipe Bloch. H _DIA akan menjadi nol menurut Persamaan. (1), dan hanya bidang Oersted yang dihasilkan saat ini H _Terserah menggerakkan gerakan DW. Ini akan membuat domain berkembang di satu sisi. Orang juga dapat melihat bahwa perubahan domain di tepi terjadi sebagai H _y adalah sekitar 1400 Oe seperti yang ditunjukkan pada panel kanan bawah pada Gambar. 4. Hal ini konsisten dengan analisis bahwa H _Terserah sebagai satu-satunya kekuatan pendorong yang bertanggung jawab atas gerakan DW. Namun, itu tidak dapat menyebabkan perilaku kemiringan DW biasa. Oleh karena itu, kemiringan DW yang diinduksi saat ini dapat dianggap berasal dari medan Oersted yang diinduksi saat ini dikombinasikan dengan medan efektif Spin Hall.

Skema gerak DW dan bentuk domain pada rapat arus J . Panel kiri atas menunjukkan domain dengan sketsa U-D-U-D dan orientasi magnetisasi (panah hitam tipis) dalam domain dan DW. Setelah arus diterapkan, H . yang dihasilkan _DIA yang bekerja pada DW ditampilkan sebagai panah tebal merah, sedangkan bidang Oersted (H _Terserah ) di kedua sisi arena pacuan kuda ditampilkan sebagai panah biru putus-putus. Panel kiri bawah menunjukkan perubahan yang sesuai dari bentuk domain (dilambangkan sebagai blok hitam tebal tanda hubung) di bawah aksi H _DIA dan H _Terserah . Panel kanan menunjukkan efek medan magnet dalam bidang pada bentuk domain untuk Pt/Co/Ta