Elemento

Oct 18, 2023

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18724 (2022) Citare questo articolo

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Presentiamo la visualizzazione specifica dell'elemento e risolta nel tempo delle eccitazioni di risonanza ferromagnetica uniforme di una microstruttura a doppio strato di striscia di disco-cobalto (Co) di Permalloy (Py). La componente trasversale ad alta frequenza della magnetizzazione eccitata in modo risonante viene campionata nel regime ps mediante una combinazione di risonanza ferromagnetica (FMR) e microscopia a raggi X a trasmissione di scansione (STXM-FMR) che registra istantanee della precessione di magnetizzazione locale di Py e Co con nanometri risoluzione spaziale. L'approccio ci consente di immaginare individualmente la risposta dinamica risonante di ciascun elemento e scopriamo che il momento angolare viene trasferito dal disco Py alla striscia Co e viceversa alle rispettive risonanze. Lo spettro FMR integrale (cavità) del nostro campione mostra una terza risonanza aggiuntiva inaspettata. Questa risonanza è stata osservata anche negli esperimenti STXM-FMR. I nostri risultati microscopici suggeriscono che sia governato dallo scambio magnetico tra Py e Co, mostrando per la striscia Co una differenza nella fase relativa della magnetizzazione dovuta all'influenza del campo disperso.

Per la futura tecnologia dell'informazione sono necessari nuovi concetti che coinvolgano la carica dell'elettrone e il suo spin come unità di informazione1. Sono stati introdotti diversi approcci per la logica basata sul magnetismo, che vanno dai concetti basati sui solitoni2, alla magnonica sotto forma, ad esempio, di calcolo magnonico geneticamente modificato3,4 per superare le varie limitazioni, ad esempio carico termico e fabbisogno energetico, incontrate dalla moderna tecnologia informatica. Questo campo della spintronica e della magnonica richiede lo studio di strutture magnetiche ancora più piccole nel regime dei gigahertz e dei terahertz.

I dispositivi basati sullo spin sono solitamente costituiti da più di un materiale, il che richiede la comprensione delle proprietà magnetiche dinamiche specifiche dell'elemento e delle risultanti modalità delle onde di spin su scala nanometrica. Risonanza ferromagnetica rilevata a raggi X (XFMR)5,6,7,8,9,10,11,12,13, combinando la risonanza ferromagnetica (FMR) con la magnetometria specifica dell'elemento mediante dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD) ( vedere 14,15 e riferimenti ivi contenuti) è uno strumento unico per affrontare questa sfida.

In questo studio è stata utilizzata la microscopia a raggi X a scansione e trasmissione rilevata FMR (STXM-FMR)16, offrendo un campionamento temporale fino a 17 ps e una risoluzione laterale nominale inferiore a 50 nm nella geometria XFMR trasversale con un'eccitazione a onda continua del campione16,17, 18,19,20,21. Sono state monitorate e analizzate risposte risonanti uniformi e non uniformi sulla scala nanometrica micro-22,23 e inferiore a 50 nm24. Qui indaghiamo le eccitazioni risonanti di una microstruttura a doppio strato costituita da una striscia di cobalto (Co) depositata su un disco di Permalloy (Py) con specificità dell'elemento. Studi precedenti su doppi strati ferromagnetici ultrasottili di uguali dimensioni (spessore solitamente circa o inferiore a 10 nm) hanno mostrato due modalità di risonanza uniformi, tipicamente spiegate come modalità ottiche o acustiche in fase e fuori fase, ad esempio 25. Nelle misurazioni FMR convenzionali della nostra microstruttura a doppio strato con uno spessore totale di 60 nm vengono identificate le singole risonanze delle microstrutture Py e Co. Inoltre, si osserva una terza risonanza in entrambi i materiali, che non può essere spiegata con l'approccio sopra menzionato per bistrati ultrasottili di uguali dimensioni, ma con Py e Co che risuonano in fase come un'entità, mediata dall'accoppiamento di scambio. Pertanto, con il nostro STXM-FMR specifico per lo spazio, il tempo e l'elemento, viene rivelata l'origine delle tre risonanze, visualizzando anche le variazioni locali di fase e ampiezza, che non sono visibili negli spettri FMR convenzionali.

Misuriamo le eccitazioni FMR nel loro regime lineare utilizzando una configurazione STXM-FMR basata su micro-risonatore, specifica per l'elemento e risolta spazialmente, realizzata presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL)16,18. Il campione è una striscia di Co policristallino (2,0 \(\upmu\)m di lunghezza, 0,5 \(\upmu\)m di larghezza, 30 nm di spessore) depositata su un disco policristallino di Permalloy(Py) con 2,5 \(\upmu\) m di diametro e 30 nm di spessore (vedere Fig. 1a). È fabbricato mediante una litografia in tre fasi e deposizione con fascio di elettroni del materiale ferromagnetico26 su una membrana di Si\(_{3}\hbox {N}_{4}\) spessa 200 nm. Per misurare lo spettro FMR il campione viene posizionato nell'anello a forma di omega di un micro-risonatore che offre una sensibilità di \(10^{6}\) \(\mu _{\text{B}}\)27,28 ,29. Il campione viene eccitato da un campo di microonde omogeneo polarizzato linearmente con un'ampiezza di \(\le\) 1,5 mT. Un'immagine STXM del campione utilizzando una dimensione del passo di 100 nm è mostrata in Fig. 1b.