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Oct 18, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18724(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 퍼멀로이(Py) 디스크-코발트(Co) 스트라이프 이중층 미세 구조의 균일한 강자성 공명 여기의 요소별 및 시간 분해 시각화를 제시합니다. 공명 여기 자화의 가로 고주파 성분은 강자성 공명(FMR)과 스캐닝 투과 X선 현미경(STXM-FMR)을 결합하여 Py 및 Co의 국부 자화 세차의 스냅샷을 나노미터로 기록함으로써 ps 영역에서 샘플링됩니다. 공간 해상도. 이 접근 방식을 통해 우리는 각 요소의 공진 동적 응답을 개별적으로 이미지화할 수 있으며, 각 공진에서 각운동량이 Py 디스크에서 Co 스트라이프로 또는 그 반대로 전달된다는 것을 알 수 있습니다. 샘플의 적분(공동) FMR 스펙트럼은 예상치 못한 추가 3차 공명을 보여줍니다. 이 공명은 STXM-FMR 실험에서도 관찰됩니다. 우리의 미세한 발견은 이것이 Py와 Co 사이의 자기 교환에 의해 지배된다는 것을 암시하며, Co 스트라이프의 경우 표유 자기장 영향으로 인한 자화의 상대적 위상의 차이를 보여줍니다.

미래의 정보 기술을 위해서는 전자의 전하와 스핀을 정보 단위로 포함하는 새로운 개념이 필요합니다1. 현대 컴퓨터 기술이 직면하는 열 부하 및 에너지 요구와 같은 다양한 한계를 극복하기 위해 솔리톤 기반 개념2부터 유전 공학 마그노닉 컴퓨팅3,4 형태의 마그노닉에 이르기까지 자기 기반 논리에 대한 여러 가지 접근 방식이 도입되었습니다. 이 스핀트로닉스 및 마그노닉스 분야에서는 기가헤르츠 및 테라헤르츠 영역에서 훨씬 더 작은 자기 구조를 연구해야 합니다.

스핀 기반 장치는 일반적으로 두 개 이상의 재료로 구성되므로 요소별 동적 자기 특성과 그에 따른 나노미터 규모의 스핀파 모드에 대한 이해가 필요합니다. X선 감지 강자성 공명(XFMR)5,6,7,8,9,10,11,12,13, X선 자기 원형 이색성(XMCD)을 통해 강자성 공명(FMR)과 요소 특정 자기 측정법을 결합합니다( 14,15 및 참조 참조)는 이러한 문제를 해결하기 위한 고유한 도구입니다.

이 연구에서는 스캐닝 투과 X선 현미경으로 감지된 FMR(STXM-FMR)16이 사용되어 샘플의 연속파 여기와 함께 가로 XFMR 형상에서 최저 17ps의 시간 샘플링과 공칭 하위 50nm 측면 해상도를 제공합니다. 18,19,20,21. 마이크로 22,23 및 50nm 이하 나노미터24 규모의 균일 및 비균일 공진 응답이 모니터링되고 분석되었습니다. 여기에서는 요소 특이성을 지닌 퍼멀로이(Py) 디스크에 증착된 코발트(Co) 스트라이프로 구성된 이중층 미세 구조의 공진 여기를 조사합니다. 동일한 치수의 초박형 강자성 이중층(두께는 일반적으로 약 10nm 이하)에 대한 이전 연구에서는 일반적으로 동위상 및 역위상 광학 또는 음향 모드로 설명되는 두 개의 균일한 공명 모드를 보여주었습니다. 총 두께가 60 nm인 이중층 미세 구조의 기존 FMR 측정에서 Py 및 Co 미세 구조의 개별 공명이 확인되었습니다. 또한, 두 재료 모두에서 세 번째 공명이 나타납니다. 이는 동일한 크기의 초박형 이중층에 대해 앞서 언급한 접근 방식으로는 설명할 수 없지만 Py와 Co는 교환 결합에 의해 매개되는 실체로서 위상에서 공진하는 것으로 설명됩니다. 따라서 공간적, 시간 및 요소별 STXM-FMR을 통해 세 가지 공명의 기원이 밝혀지고 기존 FMR 스펙트럼에서는 볼 수 없는 국지적 위상 및 진폭 변화도 시각화됩니다.

우리는 스탠포드 싱크로트론 방사선 광원(SSRL)16,18에서 구현된 마이크로 공진기 기반의 요소별 공간 분해 STXM-FMR 설정을 사용하여 선형 영역에서 FMR 여기를 측정합니다. 샘플은 2.5\(\upmu\)의 다결정 퍼멀로이(Py)-디스크에 증착된 다결정 Co 스트라이프(길이 2.0 \(\upmu\)m, 너비 0.5 \(\upmu\)m, 두께 30nm)입니다. m 직경 및 30nm 두께(그림 1a 참조). 이는 200 nm 두께의 Si\(_{3}\hbox {N}_{4}\) 멤브레인에 강자성 물질26을 3단계 리소그래피와 전자빔 증착으로 제작했습니다. FMR 스펙트럼을 측정하기 위해 샘플은 \(10^{6}\) \(\mu _{\text{B}}\)27,28의 감도를 제공하는 마이크로 공진기의 오메가 모양 루프에 배치됩니다. ,29. 샘플은 \(\le\) 1.5mT의 진폭을 갖는 균일한 선형 편광 마이크로파 장에 의해 여기됩니다. 100 nm의 스텝 크기를 사용하는 샘플의 STXM 이미지가 그림 1b에 나와 있습니다.