Magnon auto-oscillation in domain walls by spin transfer torque


Magnon auto-oscillation in domain walls by spin transfer torque

Nishida, N.; Hache, T.; Arekapudi, S. S. P. K.; Hellwig, O.; Fassbender, J.; Schultheiss, H.

磁性体の基本励起状態であるマグノンは非電荷でTHz帯までの励起が可能であることから、省エネルギーかつ高速な情報デバイスへの応用が期待されている。Ptと強磁性金属の二層構造に電荷を流すと、スピンホール効果によりPt層でスピン流が生成され、強磁性層に注入される。スピン流から磁化にスピントランスファートルクが印加されることにより、磁化の自励発振[1]が駆動され、マグノンが励起される。我々は微細なマグノンチャネルとして磁壁[2]に着目し、磁壁中のマグノン励起について調べた。

図1に示すように、PtとCoFeBの二層膜から成る線幅370 nmの折れ線構造を作製し、y方向に着磁した。試料に直流電流を印加し、ブリルアン散乱分光装置を用いて折れ線の頂点におけるマグノン強度を測定した。図2にマグノン強度の電流依存性を示す。図2(a)に示すように、y方向に1.0 kOeの外部磁場を印加した場合には、2.3 mAから5.0 mAの電流値の範囲においてマグノンの励起が検出された。一方、電流の印加方向を反転させるとマグノンは検出されなかった。図2(b)に、y方向に試料を着磁した後に外部磁場を0 kOeにし、残留磁化状態において測定した結果を示す。1.0 kOeの外部磁場を印加した場合と同様に、正の電流を印加した場合のみマグノンの励起が検出された。残留磁化状態では形状磁気異方性により、試料頂点に磁壁が生成される。スピントランスファートルクを用いた磁壁中の磁化の自励発振により、ゼロ磁場下においてマグノンの励起に成功した。

参考文献
[1] A. N. Slavin and V. Tiberkevich, IEEE Trans. Magn. 45, 1875 (2009).
[2] K. Wagner et al., Nat. Nanotech. 11, 432 (2016).

Magnons are the fundamental excitations in magnetic materials and are attractive for applications in information technology devices. They do not involve charge transport and the associated waste heat and offer high operating frequencies up to the THz range. When a charge current is applied to a bilayer consisting of Pt and a ferromagnetic metal, the spin currents originating from the spin Halle effect in the Pt layer generate a spin transfer torque to the magnetizations in the ferromagnetic layer. This allows to efficiently drive auto-oscillations of magnons[1]. We focused on domain walls as local nano magnon channels[2], and investigated the magnon auto-oscillation in the domain walls.

As shown in Fig. 1, a zigzag structure was fabricated from a Pt/CoFeB bilayer. The width was set to be 370 nm. The sample was magnetized to the y direction and a dc current was applied to the sample. The magnon intensity at the corner was measured by Brillouin Light Scattering microscopy. Figure 2 shows the dc current dependency of the magnon intensity measured at the corner. As shown in Fig. 2(a), in the case that an external magnetic field of 1.0 kOe was applied to the y direction, the magnons were detected when the dc current was between 2.3 mA and 5.0 mA. While there were no magnons in the case of the reversed dc current direction. Figure 2(b) shows the magnon intensity at the remanence state after saturation to y direction. There were also no magnon in the case of the reversed dc current. The domain wall is generated at the corner under the remanence state because of a shape anisotropy. We succeeded to excite magnons under zero magnetic field due to the auto-oscillation of the magnetizations by spin transfer torque.

Reference
[1] A. N. Slavin and V. Tiberkevich, IEEE Trans. Magn. 45, 1875 (2009).
[2] K. Wagner et al., Nat. Nanotech. 11, 432 (2016).

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  • Poster
    The Physical Society of Japan, 73rd Annual Meeting, 22.-25.03.2018, Noda, Chiba, Japan

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Publ.-Id: 28120