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超高速光磁気・光磁気結合による強磁性薄膜の決定論的全光スイッチングの予測

  • Zhidong Du,
  • Chen Chen,
  • Feng Cheng,
  • Yongmin Liu &
  • Liang Pan
  • Scientific Reports, Article number: 13513(2017)
  • doi:10.1038/s41598-017-13568-w

Received:31 May 2017
Accepted:26 September 2017
Published online:18 October 2017

要旨

超高速レーザーパルスによって誘起される磁化の全光スイッチング（AOS）は基本的に興味深いものであり、現在の技術よりも3桁大きい磁気データ記憶のための前例のない速度が見込まれる。 フェリ磁性材料の場合、AOSは磁気円二色性と副格子間の角運動量伝達に起因する。最近、強磁性材料がAOSにおいて複数のパルスで示されている。フェムト秒の時間スケール内で強磁性磁化を反転させるのに必要な磁場は物理的には高くないので、スイッチングプロセスのパルス持続時間を超える長時間の磁場が存在するとの仮説もある。 これは、逆ファラデー効果（IFE）から生じる光誘導磁場に基づく現象学的説明と直観的に矛盾する。ここでは、AOSプロセスを数値的に研究し、誘導磁場の持続時間の長年のパラドックスに新しい洞察を提供する。 長期の磁場持続時間は、超高速光熱および光磁気結合から生じることを示す。また、Fockker-PlanckとLandau-Lifshitz-Blochのモデルでは、スピンと熱浴との結合強度が異なるシングルパルスとマルチパルスのAOSを数値的に検討した。この数値モデルは、AOSに適した強磁性材料を見つけるための方法を提供する。

序論

磁化およびスピン操作は、外部磁場を印加することなく、スピン偏極電流および超高速レーザーパルスによる電界によって達成することができる。特に、60フェムト秒レーザーパルスによるニッケル膜の超高速減磁の発見以来、磁化の超高速光学操作が現代の磁気では盛んな指針として浮上してきた。その後の研究は、現象を裏付けるだけでなく、光学的にコヒーレント磁気歳差運動を発生させ、光学的にスピン再配向を誘発する可能性を実証した。超高速磁化操作において広く議論されているトピックの1つは、円偏光レーザーパルスが外部磁場を印加することなく磁区を直接かつ確定的に切り替えることができることである。 これは、全光学ヘリシティ依存スイッチングまたは単に全光スイッチング（AOS）と呼ばれる。初期のAOS研究はフェリ磁性GdFeCo合金に焦点を当てていたが、その後の研究は他の希土類 – 遷移金属材料、合成フェリ磁性体、そして最近はCoPtおよび他の磁性薄膜、多層および粒状膜などの強磁性材料にまで拡大した。

AOSにもかかわらず、AOSにおける超高速レーザーパルスの役割は依然として議論の対象となっている。実験的および理論的研究は、逆ファラデー効果（IFE）、磁気円二色性、角運動量の移動、過渡的強磁性状態の形成およびレーザー誘起超拡散スピン流を含む、フリッピングの決定においていくつかのメカニズムが重要であることを示唆している。フェリ磁性材料の場合、AOSは、2つのフェリ磁性サブ格子の間の角運動量移動の結果として説明することができる。しかし、最近説明した強磁性材料では、この説明は副格子の欠如のために適用できない。AOSが最初に出たとき、円偏光されたレーザーパルスはAOSプロセスにおいて2つの効果を有すると一般に信じられていた。 第1に、それは磁性材料中の電子を励起し、電子温度が約ピコ秒の時間スケール内でキュリー温度を上回って上昇するので減磁が起こる。第2に、円偏光されたレーザーによって磁場が誘導され、付勢された磁性材料の沈降過程の間にスイッチングが達成される。AOSシステムにおける逆ファラデー効果の起源は依然として不明であるため、誘導磁場の振幅または持続時間の直接測定はない。誘起された磁場持続時間を延長するための現象論的仮定を使用してフリッピングプロセスを説明するためのいくつかの試みがなされている。しかし、このような仮定は、逆ファラデー効果がレーザーパルスと共に消滅するはずであるという事実と一見矛盾する。ここでは、AOSプロセスを数値的に研究し、長時間の誘導磁場の存在を確認した。我々は、長時間誘起された磁場が、実験で直接観測されないフェムト秒およびピコ秒の時間スケールで複雑な光熱および光磁気結合に由来することを示した。さらに、我々は、強力な計算を実行する必要なしに他の研究者が使用できるAOSを予測するための単純化された分析モデルを導出した。シミュレーション結果は、いくつかの光学的、熱的および磁気的パラメータの下で、強磁性系の単一レーザーパルスAOSが可能であることを示しているが、実験的には示されていない。このモデルを用いて、観察された強磁性AOSが複数パルス下にあり、エッジ優勢のフリップも再現され、このモデルの実現可能性を示す。この研究は、AOSプロセスが起こり得るパラメータ領域の予測を可能にし、超高速磁気データ記録およびナノ磁気デバイスの開発を補助する。

 

図1

全光スイッチング（AOS）スキームと磁化の時間発展。（a）AOSの図。レーザーパルスは、磁性材料を加熱し、レーザーパルスのヘリシティに応じて最終磁化を反転または保存する逆ファラデー効果（IFE）から生じる誘導磁場を加熱する。（b）単一パルスの左手系（σ）、線形（L）および右手系（σ+）の偏光にさらされた磁化の時間発展。白黒領域は、上（M +）および下（M-）磁区に対応する。レーザーフルエンスは、140fs持続時間（半値全幅）およびビーム直径（ピーク強度の1 / eによって定義される）が10μmで、2.6mJ / cm2である。磁気光学的感受率αは、2.13×10-11A・m / V2（1mJ / cm2のレーザーフルエンスによる有効磁場1Tに相当）に設定されている。スケールバーは10μmである。


図 2

単一のLCP（σ−）パルスがM +磁気媒体に照射された後の電子温度（T e ）、格子温度（T l ）、誘起磁束密度 B i および磁化Mの決定論的スイッチング中の4つの重要な量の時間推移。（a）レーザービームの中心におけるこれらの量の時間推移。T eおよびT l はキュリー温度T C に正規化される。 MフィールドおよびB i フィールドは、Ms,0K およびB s,0K (または µ 0 M s,0K )にそれぞれ正規化される。ここでM s,0K はゼロ温度での飽和磁化である。I normは正規化されたレーザーパルスを表す。（b）厚さ10nmの強磁性膜の中間面におけるT e, T l , B i および Mの図。B i フィールドは、1.0psで10倍、12.0,18.0,100psで100倍に拡大される。T e および B i マップ内の破線の円は、T e が T C より大きい領域を囲む。スケールバーは10μmである。

 


図 3

レーザーフルエンスのスイッチング閾値。異なるレーザーフルエンス下でのT e , T l , B i および Mの時間発展、ここでスイッチングは約2.5mJ / cm 2で生じる。 レーザービームの直径は10μmである。

 


図 4

（a）レーザーパルスのピークとB i との間の延期時間∆t peak ピーク（b）Bの減衰定数時間τ 0 に対する誘起磁場B i のパラメータのレーザーフルエンスおよびビーム直径依存性（c）B i,peak /Bs,0K のピーク値。（d-f）破線に沿った∆t peak 、τ 0 および B i,peak /B s,0K の値。B i フィールドは、レーザービームの中心で計算される。

 


図 5

異なる光磁気感受性を有するAOSの相図。光磁気感受率は、（a）1J / cm 2あたり1T、（b）1mJ / cm 2あたり10Tに対応する。AOS閾値（スイッチドドメインとスイッチドドメインとの間の境界）は、σ偏光レーザーパルス下での反転の閾値によって決定される。減磁スレッシュホールド（切替え領域と減磁領域との間の境界）は、σ+偏光レーザーパルス下でのフリッピングの閾値によって決定される。最初の磁気状態はM +である。

 

図 6

スピンと熱浴の間の異なるIFE場および熱結合強度λを有するAOSの相図。レーザーフルエンスは、直径10μmのレーザービームで2.6mJ / cm 2に維持される。IFEフィールドは0から10 T / mJ / cm2に変更される。 スピンと熱浴との間の熱結合強度λを0.003から0.3に変化させる。 1つの有限温度では、ギルバートの減衰率は補助材に示されている結合強度λに比例する。

 

図 7

異なる磁気妨害レベル下のAOSの相図。これらの曲線は、レーザービームの中心点における推定されたB i の解析式を用いて計算される。2つの磁気光学感受率が用いられる。（a、b）は1J / cm2の場合1Tを示す。 （d-f）は、10J / mJ / cm 2の場合を示す。 最悪の想定はここでは、スイッチドリージョンを狭める方向に一定の外乱レベル（0.1〜10 G）で考慮される。

図8

中心から離れた場所のAOSの場合、レーザーフルエンス3.2mJ / cm2で、電子をレーザービームの中央のキュリー温度より十分に上げることができる。 （a）IFEが十分強く（1J / cm2あたり1Tの磁気光学感受性で）、2μmレーザービームサイズで単一パルスに対してAOSは発生しない。 20μmサイズの単一レーザーパルスの場合、レーザービームのエッジが決定論的に切り替えられる間、ビーム中心が減磁される。（b）磁気光学的磁化率が0.1J / cm 2に低下すると、エッジフリップ現象は依然としてビーム端付近で発生するが、弱くなる。 さらに、0.01J / cm 2のオーダに減少した場合、レーザー照射領域内で明白なAOSは観察されない。 （c）光磁気感受率が0.03T / mJ / cm 2の場合、複数のパルスで照射した場合でもエッジフリップ現象が発生する可能性がある。 プロット領域の辺の長さはすべて15μmである。

 

結論

本研究では、現実的な実験条件を考慮して、単一レーザーパルス下での強磁性材料の超高速決定論的AOSプロセスを数値的に研究する。我々は単一レーザーパルスのヘリシティに対するAOSの依存性と、光熱および光磁気結合によって誘導される磁場の長時間の存在と役割を確認した。 さらに、4つの量（電子および格子温度、材料磁化および誘導磁束密度）に基づいて、反転プロセスの時間シーケンスを検討する。 我々が知っている限りでは、誘発された磁場（大きさと持続時間を含む）を完全に解釈するための最初の試みである完全結合モデルを提供した。 結果は、単一レーザーパルスの下での強磁性AOSの可能性を予測する。 我々はまた、レーザーフルエンスを変化させることによってAOSプロセスを研究し、フェリ磁性実験と同様のレーザーフルエンスのAOS閾値を再現した。 レーザーフルエンスとビーム径の長時間誘起磁場への影響を系統的に調べた。 光磁気感受性の影響も議論されている。これらの結果に基づいて、長時間誘導磁場の解析的形態に基づいてAOS過程を予測するスカラーモデルを提供した。

強磁性材料では、AOSは、複数のパルスを用いてCoPt多層膜で実証された。また、多重パルスAOSおよびエッジ優位フリップ現象も、我々のモデルを用いてシミュレートされている。 実験的に観察された現象をうまく再現した。 我々の結果は、単一パルスAOSを示すのに適した材料を見つけるのに役立つかもしれない。 一般的に物理的な画像を提供するために、電子の熱容量以外の熱的および光学的特性の温度依存性も無視する。 AOS材料の巨大磁気光学感受性の物理的起源は依然として不明であり、我々は他の実験的および理論的研究によって示唆された範囲の経験的価値を用いたことに言及する価値もある。

要約すると、我々は強磁性AOSプロセスを数値的に再現し、物理的な洞察力を追加したが、これは実験的研究によって便利に利用できない。 本発明者らは、延長された誘導磁場の存在および機構を確認した。 我々の知見は、より良いAOS材料を構築し、実験パラメータを調整することによって、AOSの性能を最適化するのに役立つことができる。 例えば、高い導電率を有する磁性材料は、誘起されたB磁場をさらに延ばすのに役立ち、したがって決定論的スイッチングを助ける。

○参考
Prediction of Deterministic All-Optical Switching of Ferromagnetic Thin Film by Ultrafast Optothermal and Optomagnetic Couplings
https://www.nature.com/articles/s41598-017-13568-w