Dinâmica e Inclinação de Parede de Domínio Impulsionada por Torque Spin-Órbita em Racetracks Pt/Co/Ta Magnetizados Perpendicularmente

Resumo

Investigamos como inserção de intercalação de carbono afeta interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), velocidade de parede de domínio (DW) induzida por corrente, e inclinação em racetracks Pt/Co/Ta. Microscopia Kerr magneto-óptica revela que força DMI é dominada pela interface Pt/Co, permanecendo similar para pilhas Pt/Co/Ta e Pt/Co/C/Ta. Em Pt/Co/Ta, DWs atingem dezenas de m/s a algumas densidades de corrente MA cm⁻², enquanto Pt/Co/C/Ta requer aproximadamente o dobro da corrente para atingir velocidades comparáveis, destacando influência de eficiência de torque spin-órbita (SOT) e barreiras de pinning. Comparado com movimento de DW induzido por campo (FIDWM), velocidade de DW sob campos efetivos idênticos é ~10³ vezes maior em experimentos impulsionados por corrente, indicando contribuição significativa de aquecimento Joule. Além disso, observamos inclinação pronunciada de DW induzida por corrente ausente em FIDWM, ressaltando papel do campo Oersted. Estes resultados fornecem insights de design para memórias racetrack baseadas em SOT eficientes.

Contexto

Movimento de parede de domínio magnético induzido por corrente (CIDWM) é mecanismo chave para dispositivos de memória racetrack de próxima geração. Estudos iniciais focaram em ferromagnetos (FMs) com anisotropia no plano, onde torque de transferência de spin (STT) impulsionava DWs. Posteriormente, CIDWM demonstrado em sistemas de anisotropia magnética perpendicular (PMA), contudo direção de propagação de DW às vezes contradizia previsões de STT. Em bicamadas metal pesado (HM)/FM, torques spin-órbita (SOTs) gerados por efeito Hall de spin (SHE) e/ou efeito Rashba, junto com DMI interfacial, produzem DWs quirais que movem-se along direção da corrente. Aumentar eficiência CIDWM requer portanto camadas HM com grandes ângulos Hall de spin (θ_SH) e engenharia cuidadosa de propriedades interfaciais. Várias estratégias — ajuste de espessura, decoração de interface, controle de cristalinidade, e incorporação de oxigênio — foram empregadas para maximizar θ_SH e eficiência SOT efetiva. Trilayers HM/FM/HM, onde duas camadas HM contribuem com sinais θ_SH opostos, podem ainda aumentar torque líquido. Força DMI em tais estruturas também modificada, influenciando velocidade e comportamento de inclinação de DW. Modelos recentes preveem que DMI e paisagens de pinning determinam extensão de inclinação de DW sob corrente.

Em trabalho prévio, examinamos efeito de inserir fina camada de carbono (C) entre Co e Ta em pilhas Pt/Co/Ta, observando mudanças em anisotropia, campos de comutação, e campos efetivos SOT. Aqui, estendemos aquele estudo para analisar movimento e inclinação de DW impulsionados por corrente, quantificando como inserção de C influencia DMI, potencial de pinning e eficiência SOT em racetracks Pt/Co/Ta de micro-tamanho.

Métodos

Duas pilhas de filmes — Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/Ta(5 nm) e Ta(3 nm)/Pt(5 nm)/Co(0,6 nm)/C(2 nm)/Ta(5 nm) — depositadas em vidro Corning à temperatura ambiente por sputtering magnetrônico DC (pressão base < 4,0 × 10⁻⁵ Pa). Ta inferior serve como camada semente, enquanto Ta superior forma capa ~1,5 nm TaO_x após exposição ao ar. Filmes padronizados em racetracks de 8,5 µm e 3,0 µm largura, respectivamente, usando litografia padrão e fresamento por íons Ar. Barras Hall de largura idêntica fabricadas para medir resistência Hall anômala (R_Hall) dependente de campo fora do plano (H_z) sob vários campos de viés no plano (H_x) along direção da corrente. Extraindo deslocamento de loops R_Hall-H_z (H_SHE), quantificamos eficiência SOT χ = H_SHE/J. Microscópio Kerr polar monitorou movimento de DW sob campos aplicados ou pulsos de corrente à temperatura ambiente.

Resultados e Discussão

Usando modelo de DW quiral Néel, primeiro determinamos parâmetros DMI e SOT de medições Hall anômalas. Campos efetivos DMI (H_DMI) para Pt/Co/Ta e Pt/Co/C/Ta foram ~1370 Oe e ~1055 Oe, respectivamente, enquanto eficiências SOT saturadas χ^sat foram 10,0 Oe/(10⁶ A cm⁻²) e 8,3 Oe/(10⁶ A cm⁻²). Leve redução em χ^sat para pilha decorada com C provavelmente reflete aumento de espalhamento spin-flip interfacial. Constantes de troca DMI calculadas |D| foram 1,01 ± 0,16 mJ m⁻² (Pt/Co/Ta) e 1,15 ± 0,14 mJ m⁻² (Pt/Co/C/Ta), indicando que interface Pt/Co domina DMI em ambas pilhas. Como H_DMI/H_K < 2/π, caráter Néel dos DWs é estável, confirmado por experimentos CIDWM.

Velocidades de DW impulsionadas por campo medidas sob pulsos magnéticos fora do plano. Ambas pilhas exibiram dependência tipo creep v ∝ exp[−(U_c/k_B T)(H_dep/H)^¼]. Campo de despinning H_dep aproximadamente dobro do Pt/Co/Ta na pilha decorada com C, e parâmetro de inclinação s maior (37,4 Oe^¼ vs. 76,5 Oe^¼), confirmando potencial de pinning mais alto. Imagens de domínio mostraram formas de DW mais irregulares em Pt/Co/C/Ta, consistente com paisagem de pinning não uniforme.

Movimento de DW impulsionado por corrente então estudado. Velocidades de DW aumentaram com densidade de corrente, mas atingir mesma velocidade em Pt/Co/C/Ta requereu cerca de duas vezes densidade de corrente, refletindo eficiência SOT reduzida e pinning aprimorado. Notavelmente, velocidade CIDWM foi ~10³ vezes maior que impulsionada por campo magnético equivalente, ressaltando impacto de aquecimento Joule e possivelmente campo Oersted. Em altas correntes (±19,2 MA cm⁻²), observamos velocidades reduzidas, sítios de nucleação aumentados, e inclinação de DW alterada, sugerindo processos termicamente ativados e paisagem de pinning remodelada.

Inclinação de DW emergiu apenas sob impulso por corrente. Ângulo de inclinação ψ cresceu aproximadamente linearmente com densidade de corrente para ambas pilhas, de acordo com previsões teóricas recentes. Experimentos impulsionados por campo não mostraram inclinação, implicando que campo Oersted — gerado pela corrente — desempenha papel crucial. Campos Oersted calculados (~19,6 Oe para Pt/Co/Ta e ~37,4 Oe para Pt/Co/C/Ta em corrente máxima) são comparáveis a H_SHE, e como ambos campos atuam na mesma direção em posições específicas along racetrack, DW experimenta campo efetivo não uniforme, produzindo formas de domínio trapezoidais observadas. Campos de viés no plano (H_x, H_y) modificam quiralidade de DW e força relativa de H_SHE e H_Oersted, afetando ainda mais inclinação e expansão de domínio.

Conclusões

Demonstramos que tanto movimento quanto inclinação de DW são fortemente influenciados por eficiência SOT, potencial de pinning, aquecimento Joule e campo Oersted em racetracks Pt/Co/Ta e Pt/Co/C/Ta. Força DMI (~1 mJ m⁻²) dominada por interface Pt/Co, enquanto inserção de C modestamente reduz eficiência SOT e aumenta pinning. Velocidades CIDWM atingem dezenas de m/s a algumas MA cm⁻², mas presença de campo Oersted considerável pode distorcer formas de domínio, o que pode limitar designs práticos de memória racetrack. Estes insights guiam engenharia de racetracks baseados em SOT com dinâmica DW otimizada.

Abreviações

CIDWM:

Movimento de parede de domínio induzido por corrente

DMI:

Interação Dzyaloshinskii-Moriya

D-U:

Down-to-up

DW:

Parede de domínio

FIDWM:

Movimento de parede de domínio induzido por campo

FMs:

Ferromagnetos

HM:

Metal pesado

PMA:

Anisotropia magnética perpendicular

SOT:

Torque spin-órbita

STT:

Torque de transferência de spin

U-D:

Up-to-down