Picosecond magnetiseringsdynamik af spin-tilstande afsløret af diffraktiv ferromagnetisk resonans

Da nanoelektronik støder på fundamentale barrierer, spin af en elektron, ud over sin afgift, bliver brugt til at transportere information i elektroniske enheder. Dette kræver nye karakteriserings- og detektionsmetoder for spin-tilstande i komplekse magnetiske strukturer. Nuværende teknikker måler enten materialeegenskaber på nanometerlængdeskalaen eller på picosekunders tidsskala, imidlertid, begge er nødvendige samtidigt for at få et komplet billede for at fremme den fremtidige teknologiske udvikling.

Forskere fra Diamond Light Source's Magnetic Spectroscopy Group, University of Oxford, og ShanghaiTech University har udviklet en ny diffraktiv ferromagnetisk resonans (DFMR) teknik til at hente dynamikken i individuelle spin-tilstande. DFMR kombinerer styrken af ​​to måleteknikker, resonans elastisk røntgenspredning (REXS) til at hente den detaljerede spinstruktur af et magnetisk system, og røntgen-detekteret ferromagnetisk resonans (XFMR) for at få adgang til den element-selektive magnetiseringsdynamik. Holdets seneste publikation i Nano Letters demonstrerer deres DFMR-teknik ved at studere spindynamikken af ​​en multiferroisk hexaferrit, som har et stort potentiale for informationslagringsapplikationer.

Eksperimentelle undersøgelser af magnetiseringsdynamik

Studiet af magnetiseringsdynamik er afgørende for udviklingen af ​​nye magnetiske lagermaterialer og -enheder, som typisk er sammensat af flere forskellige lag. Den mest udbredte teknik, ferromagnetisk resonans (FMR), giver kun indsigt i den integrerede magnetiseringsdynamik inden for disse komplekse systemer. Det er her synkrotronstråling tilbyder en løsning. Ved at gøre brug af X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) effekt, magnetisk og kemisk kontrast opnås, som giver mulighed for at studere den elementspecifikke magnetiseringsdynamik i røntgenopdaget FMR.

Den diffraktive FMR-teknik

DFMR-teknikken er en forening af REXS - som afslører den statiske magnetiske struktur i det gensidige rum - og XFMR, som bruges til at afsløre tidsafhængigheden af ​​denne struktur. Forskerholdet udførte deres målinger i RASOR-diffraktometeret på Diamonds I10-strålelinje, som giver både variable prøvetemperaturer og magnetiske felter. De indfaldende røntgenstråler er indstillet til L2, 3 absorptionskant af 3d-overgangsmetalelementet af interesse, og den magnetiske diffraktionsbetingelse kan typisk opfyldes for spin-modulationer fra 10s til 100s nm. Magnetiseringsdynamikken er samplet stroboskopisk, gør brug af røntgenpulsstrukturen af ​​synkrotronen på 500 MHz (hovedoscillator-uret i Diamond-lagerringen) og synkronisering med et mikrobølgefelt påført prøven. En forsinkelseslinje muliggør faseforskydning af mikrobølgeoscillationen i forhold til røntgenimpulserne. Denne måde, det magnetiske signal kan overvåges som en funktion af forsinkelsen mellem mikrobølge-excitation (pumpe) og røntgen-bundt ankomst (sonde). DFMR kombinerer REXS og XFMR ved at måle ændringen i intensiteten af ​​de spredte toppe som følge af den stroboskopiske sondering af den magnetiske struktur. En skematisk af den eksperimentelle opsætning er vist i figur 1 sammen med målte DFMR-forsinkelsesscanninger af de magnetiske toppe som funktion af lineær polarisationsvinkel.

Næste skridt

Innovative magnetiske materialer har spillet, og vil fortsætte med at spille, en central rolle for stigningen i datalagringskapacitet i de kommende år. Deres fortsatte udvikling, og især på grund af fremkomsten af ​​komplekse, topologisk ordnede magnetiske systemer, kræver egnede ultrafølsomme karakteriseringsværktøjer i deres native GHz-frekvensdomæne. Med DFMR, holdet har etableret et nøgleværktøj, der vil hjælpe forskere i deres søgen efter at syntetisere og konstruere nye skyrmion- og multiferroiske materialer, hvori ordnede magnetiske momenter kan manipuleres ved anvendelse af elektriske eller magnetiske felter, med det mål at udvikle databehandlingsløsninger med høj tæthed og lavt energiforbrug.

Hovedforfatter Dr. David Burn forklarer:

"Vi mener, at udviklingen af ​​diffraktiv FMR præsenterer et stort gennembrud for spintronics, som det tillader, for første gang, studiet af dynamiske magnetiseringstilstande ned til nanoskalaen med rumlig, tidsmæssig og kemisk opløsning. Denne længdeskala, i kombination med 10 GHz dynamisk område, er afgørende for udviklingen af ​​post-CMOS magnetisk logik og hukommelsesenheder. Vi er sikre på, at det vil have en betydelig indvirkning på det bredere videnskabelige samfund."