Dinámica y inclinación de paredes de dominio impulsadas por torque spin-órbita en racetracks Pt/Co/Ta magnetizados perpendicularmente

Resumen

Investigamos cómo la inserción de una intercapa carbono afecta la interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), velocidad pared dominio (DW) inducida por corriente, e inclinación en racetracks Pt/Co/Ta. Microscopía Kerr magneto-óptica revela que fuerza DMI dominada por interfaz Pt/Co, permaneciendo similar para pilas Pt/Co/Ta y Pt/Co/C/Ta. En Pt/Co/Ta, DWs alcanzan decenas m/s a densidades corriente pocos MA cm⁻², mientras Pt/Co/C/Ta requiere aproximadamente el doble corriente para velocidades comparables, destacando influencia eficiencia torque spin-órbita (SOT) y barreras anclaje. Comparado con movimiento DW inducido campo (FIDWM), velocidad DW bajo campos efectivos idénticos es ~10³ veces mayor en experimentos impulsados corriente, indicando contribución significativa calentamiento Joule. Además, observamos inclinación DW inducida corriente pronunciada ausente en FIDWM, subrayando papel campo Oersted. Estos resultados proveen insights diseño para memorias racetrack basadas SOT eficientes.

Antecedentes

Movimiento pared dominio inducido corriente (CIDWM) es mecanismo clave para dispositivos memoria racetrack próxima generación. Estudios tempranos enfocados ferromagnetos (FM) con anisotropía en-plano, donde torque transferencia spin (STT) impulsaba DWs. Luego, CIDWM demostrado en sistemas anisotropía magnética perpendicular (PMA), pero dirección propagación DW a veces contradecía predicciones STT. En bicapas metal pesado (HM)/FM, torques spin-órbita (SOT) generados por efecto Hall spin (SHE) y/o efecto Rashba, junto con DMI interfacial, producen DWs quirales que se mueven dirección corriente. Mejorar eficiencia CIDWM requiere capas HM con grandes ángulos Hall spin (θ_SH) e ingeniería cuidadosa propiedades interfaciales. Varias estrategias —ajuste espesor, decoración interfaz, control cristalinidad, incorporación oxígeno— empleadas maximizar θ_SH y eficiencia SOT efectiva. Trilayers HM/FM/HM, donde dos capas HM contribuyen signos opuestos θ_SH, pueden aumentar torque neto. Fuerza DMI en tales estructuras también se modifica, influyendo velocidad DW e inclinación. Modelos recientes predicen DMI y paisajes anclaje determinan extensión inclinación DW bajo corriente.

En trabajo previo, examinamos efecto insertar fina capa carbono (C) entre Co y Ta en pilas Pt/Co/Ta, observando cambios anisotropía, campos conmutación, y campos efectivos SOT. Aquí extendemos estudio para analizar movimiento DW e inclinación impulsados corriente, cuantificando cómo inserción C influye DMI, potencial anclaje, y eficiencia SOT en racetracks micro-dimensionados Pt/Co/Ta.

Métodos

Dos pilas películas —Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/Ta(5 nm) y Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/C(2 nm)/Ta(5 nm)— depositadas vidrio Corning temperatura ambiente por pulverización catódica DC magnetrón (presión base < 4,0 × 10⁻⁵ Pa). Ta inferior sirve capa semilla, mientras Ta superior forma ~1,5 nm TaO_x capa protección tras exposición aire. Películas patrónadas racetracks 8,5 µm y 3,0 µm ancho respectivamente, usando litografía estándar y fresado Ar-ión. Barras Hall mismo ancho fabricadas medir campo fuera-plano (H_z)-dependiente resistencia Hall anómala (R_Hall) bajo varios campos sesgo en-plano (H_x) dirección corriente. Extrayendo desplazamiento bucles R_Hall-H_z (H_SHE), cuantificamos eficiencia SOT χ = H_SHE/J. Microscopio Kerr polar monitorizó movimiento DW bajo campos aplicados o pulsos corriente temperatura ambiente.

Resultados y Discusión

Usando modelo DW quiral Néel, primero determinamos parámetros DMI y SOT de medidas Hall anómala. Campos DMI efectivos (H_DMI) para Pt/Co/Ta y Pt/Co/C/Ta ~1370 Oe y ~1055 Oe respectivamente, mientras eficiencias SOT saturadas χ^sat fueron 10,0 Oe/(10⁶ A cm⁻²) y 8,3 Oe/(10⁶ A cm⁻²). Ligera reducción χ^sat pila decorada C probablemente refleja mayor dispersión spin-flip interfacial. Constantes intercambio DMI calculadas |D| fueron 1,01 ± 0,16 mJ m⁻² (Pt/Co/Ta) y 1,15 ± 0,14 mJ m⁻² (Pt/Co/C/Ta), indicando interfaz Pt/Co domina DMI en ambas pilas. Como H_DMI/H_K < 2/π, carácter Néel DWs estable, confirmado experimentos CIDWM.

Velocidades DW inducidas campo medidas bajo pulsos magnéticos fuera-plano. Ambas pilas exhibieron dependencia tipo creep v ∝ exp[−(U_c/k_BT)(H_dep/H)^1/4]. Campo desanclaje H_dep aproximadamente el doble Pt/Co/Ta en pila decorada C, y parámetro pendiente s mayor (37,4 Oe^1/4 vs 76,5 Oe^1/4), confirmando mayor potencial anclaje. Imágenes dominio mostraron formas DW más irregulares Pt/Co/C/Ta, consistente paisaje anclaje no uniforme.

Movimiento DW inducido corriente estudiado luego. Velocidades DW aumentaron con densidad corriente, pero lograr misma velocidad Pt/Co/C/Ta requirió aproximadamente el doble densidad corriente, reflejando eficiencia SOT reducida y anclaje mejorado. Notablemente, velocidad CIDWM ~10³ veces mayor que impulsada campo magnético equivalente, subrayando impacto calentamiento Joule y posiblemente campo Oersted. Corrientes altas (±19,2 MA cm⁻²), observamos velocidades reducidas, sitios nucleación aumentados, e inclinación DW alterada, sugiriendo procesos activados térmicamente y paisaje anclaje remodelado.

Inclinación DW emergió solo bajo impulso corriente. Ángulo inclinación ψ creció aproximadamente linealmente densidad corriente ambas pilas, acuerdo predicciones teóricas recientes. Experimentos impulsados campo no mostraron inclinación, implicando campo Oersted —generado por corriente— juega papel crucial. Campos Oersted calculados (~19,6 Oe Pt/Co/Ta y ~37,4 Oe Pt/Co/C/Ta corriente máxima) comparables H_SHE, y como ambos campos actúan misma dirección posiciones específicas racetrack, DW experimenta campo efectivo no uniforme, produciendo formas dominio trapezoidales observadas. Campos sesgo en-plano (H_x, H_y) modifican quiralidad DW y fuerza relativa H_SHE y H_Oersted, afectandoさらに inclinación y expansión dominio.

Conclusiones

Demostramos que tanto movimiento DW como inclinación fuertemente influenciados por eficiencia SOT, potencial anclaje, calentamiento Joule, y campo Oersted en racetracks Pt/Co/Ta y Pt/Co/C/Ta. Fuerza DMI (~1 mJ m⁻²) dominada por interfaz Pt/Co, mientras inserción C reduce modestamente eficiencia SOT y aumenta anclaje. Velocidades DW impulsadas corriente alcanzan decenas m/s a pocos MA cm⁻², pero presencia campo Oersted considerable puede distorsionar formas dominio, lo que puede limitar diseños prácticos memoria racetrack. Estos insights guían ingeniería racetracks basados SOT con dinámica DW optimizada.

Abreviaturas

CIDWM:

Movimiento pared dominio inducido corriente

DMI:

Interacción Dzyaloshinskii-Moriya

D-U:

Abajo-hacia-arriba

DW:

Pared dominio

FIDWM:

Movimiento pared dominio inducido campo

FMs:

Ferromagnetos

HM:

Metal pesado

PMA:

Anisotropía magnética perpendicular

SOT:

Torque spin-órbita

STT:

Torque transferencia spin

U-D:

Arriba-hacia-abajo