Wechselwirkung zwischen geometrischen und Spin-Chiralitäten in 3D-spintronischen Bauteilen
Forschungsbericht (importiert) 2024 - Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik
Ein System wird als chiral bezeichnet, wenn es nicht mit seinem Spiegelbild in Deckung gebracht werden kann, was auf eine gebrochene Spiegelsymmetrie zurückzuführen ist. Chiralität stellt eine grundlegende Asymmetrie in der Natur dar, die sich in zahlreichen Phänomenen von der Molekularchemie bis zum Wellenverhalten in der Physik manifestiert und erhebliche Auswirkungen auf die Materialwissenschaft hat. Darüber hinaus spielt Chiralität auch in der Spintronik, einem rasch expandierenden Forschungsgebiet, eine zentrale Rolle. Zahlreiche chirale magnetische Strukturen wie Skyrmionen, Anti-Skyrmionen und chirale magnetische Domänenwände (DWs) vom Néel- und Bloch-Typ sind von zentraler Bedeutung für die Spintronikforschung. Insbesondere chirale DWs, die häufig in Materialien mit ausgeprägter Spin-Bahn-Kopplung beobachtet werden, sind aufgrund ihrer intrinsischen chiralen Natur und der Möglichkeit, ihre Bewegung mit Spinströmen zu steuern, vielversprechend für fortschrittliche Speichergeräte.
In dieser Studie zeigen wir eine Wechselwirkung zwischen der geometrischen Chiralität und der Chiralität der magnetischen Domänenwände [1]. Insbesondere entdeckten wir, dass die Bewegung einer chiralen magnetischen Domänenwand in dreidimensionalen (3D), verdrehten magnetischen Bändern von der geometrischen Verdrehung des Bandes beeinflusst wird und für Domänenwände mit entgegengesetzter Konfiguration und für Bänder mit entgegengesetzter Chiralität asymmetrisch ist. Wir haben eine fortschrittliche Multi-Photonen-Lithographie-Technik (MPL) eingesetzt, um 3D-verdrehte magnetische Bänder herzustellen und die stromgetriebene Bewegung der chiralen Domänenwände zu untersuchen. Die Bänder wurden so konstruiert, dass sie eine im oder gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Chiralität mit einstellbarer Drehstärke aufweisen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Domänenwände das Band entweder durchqueren können oder nicht, je nach ihrer Konfiguration sowie der Konfiguration und der geometrischen Verdrehungschiralität des Bandes. Diese Wechselwirkungen können effektiv genutzt werden, um einen Domänenwandfilter und möglicherweise eine Diode zu erzeugen.
Herstellung von verdrehten 3D-Magnetbändern
Unser maßgeschneidertes MPL-System haben wir aus einem modifizierten Superauflösungsmikroskop mit einer Voxelgröße von <5 0 nm entwickelt und selbst gebaut. Dieses System ermöglicht die Herstellung von 3D-Polymergerüsten mit glatten Oberflächen (Abb. 1a), auf die dünne Magnetfilme mit einer Dicke von nur wenigen Ångström aufgebracht werden. Das sorgfältige Design der Struktur dieser Bauelemente ermöglicht uns direkte elektrische Verbindungen zu den Bauelementen, ohne die komplexen 3D-Strukturen zu beeinträchtigen. Jedes Bauelement besteht aus einem aufgehängten Band, Stützrampen und einer V-förmigen Kontaktstellenstruktur (Abb. 1b, c). Die Rampen stützen das Band und ermöglichen den elektrischen Zugang zu den Kontaktstellen.
Das Band hat einen verdrehten Bereich mit entgegengesetzten Chiralitäten an beiden Enden, so dass es an jedem Ende horizontal ist. So hat beispielsweise eine Hälfte linkshändige Chiralität (-) und die andere rechtshändige (+). Es wurden hängende Bänder mit einer Länge von 20 µm und einer Breite von 1,25, 2,5 und 5 µm hergestellt, mit ζ = 0, ±11°, ±18°, ±26° und ±45°. Der Verdrehungsparameter ζ quantifiziert die Verdrehungsgrad und ist definiert als ζ = X/L, wobei X der Verdrehungswinkel und L die Länge ist, entlang derer sich der Verdrehungswinkel akkumuliert.
Untersuchung der strominduzierten Domänenwandbewegung
Wir untersuchen die Verschiebung von Domänenwänden (DW) in verdrehten magnetischen 3D-Bändern (Abb. 1d, e) als Funktion der kumulativen Dauer von Strompulsen. In unverdrehten Bändern, die aus einer einzigen ferromagnetischen (FM) Schicht bestehen, sind die DW-Verschiebungen für beide Konfigurationen ⨂⨀ und ⨀⨂ über alle Stromdichten hinweg nahezu identisch (Abb. 1e, linke Spalte), wie erwartet. In 3D-verdrehten Bändern (Abb. 1e, mittlere und rechte Spalte) treten jedoch ausgeprägte Asymmetrien zwischen den beiden Konfigurationen auf. Bei niedrigeren Stromdichten (~1 · 108 A cm-2, obere Reihe von Abb. 1e), wo die Asymmetrie ausgeprägter ist, beobachten wir, dass nur eine der Domänenwandkonfigurationen in der Lage ist, das verdrillte Band zu durchqueren, nämlich die Image-DW für Bauelemente mit +11° & -11° (Abb. 1e, rechte Spalte) oder die Image-DW für -11° & +11° (Abb. 1e, mittlere Spalte). Dies demonstriert eine Form der Domänenwandfilterung.
Man beachte, dass sich die gefilterte DW-Konfiguration bei entgegengesetzter Chiralität der Verdrillung unterscheidet. Wenn die Stromdichte über einen kritischen Schwellenwert hinaus ansteigt (Abb. 1e, mittlere und untere Reihe), können beide Konfigurationen von Domänenwänden das Band durchqueren, allerdings mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Dieser Geschwindigkeitsunterschied wird durch das Zusammenspiel zwischen der geometrischen Verdrehung des Bandes und der Magnetisierung der Domänenwände beeinflusst. Wir stellen fest, dass der Effekt der Verdrehung auf die DW-Bewegung mit zunehmendem ζ zunimmt.
Torsionsfeld und der Mechanismus der asymmetrischen Bewegung
Der zugrundeliegende Mechanismus der asymmetrischen Bewegung von Domänenwänden in den verdrehten Bändern liegt in der Wechselwirkung zwischen der geometrischen Verdrehung und der Magnetisierung der Domänenwände. Die geometrische Drehung des Bandes verlängert oder verkürzt die Drehung der Magnetisierung in der DW, was zu einer erhöhten oder verringerten DW-Austauschenergie führt und. Wie wir anhand unseres analytischen Modells zeigen, führt dies auch zu einer behinderten oder erleichterten DW-Bewegung über das verdrehte Band.
Anhand des von uns abgeleiteten analytischen Modells zeigen wir auch, dass die Verdrehung des Bandes ein Torsionsfeld induziert, das ein Torsionsdrehmoment an den Domänenwänden erzeugt. Dieser Effekt unterscheidet sich von dem typischen Spin-Drehmoment, das die Bewegung chiraler Domänenwände antreibt, wie etwa das DMI-induzierte Drehmoment. Das effektive Torsionsdrehmoment hebt die Entartung zwischen verschiedenen Domänenwandtypen auf und beschleunigt die eine Konfiguration der Domänenwand, während es die andere verlangsamt.
Schlussfolgerung und Ausblick
Diese Studie demonstriert den Einfluss der geometrischen Verdrehung auf die strominduzierte Bewegung der Domänenwand in magnetischen 3D-Bändern. Mit Blick auf die Zukunft stellt diese Forschung einen wichtigen Schritt in Richtung der Realisierung fortschrittlicher chiraler spintronischer Bauteile dar. Diese könnten die Art und Weise, wie wir Informationen speichern und verarbeiten, revolutionieren.