Движение доменных стенок электрическим током

А.В. Хвальковский, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва


До недавнего времени считалось, что единственным способом переключения магнитной структуры является воздействие магнитного поля. Соответственно, под переключением с помощью тока понималось единственно ситуация, когда от текущего по проводникам тока возникает вихревое магнитное поле, действие которого на магнитный элемент способно последний перемагнитить. Однако не так давно было предсказано [,], и затем обнаружено [-], что между током и намагниченностью существует прямое локальное взаимодействие, которое также способно привести к процессам перемагничивания.




Рис. 1. Иллюстрация механизма переноса спина, ответственного за перемагничивание
многослойных магнитных элементов.


В основе этого взаимодействия лежит два основных факта. 1) Факт первый. Как известно, каждый носитель заряда обладает собственным моментом количества движения – спином. При этом проекция спина на любую ось в пространстве может принимать значения либо +½, либо –½. В немагнитном металле носителей с проекцией +½ столько же, сколько с проекцией –½. А в магнитном металле, оказывается, одних гораздо больше, чем других (в качестве оси выступает локальное направление намагниченности). В результате, если в ферромагнетике течет ток, то он также состоит в основном из носителей одной из спиновых проекций (или, как говорят, спиновых поляризаций). При этом если электроны выходят из ферромагнетика (например, в немагнитный металл), они некоторое время «помнят» свою поляризацию. 2) Факт второй, см. рис. 1. Пусть такие поляризованные одним ферромагнетиком (F1) электроны проникают в другой ферромагнетик (F2). Тогда их поляризация сразу после того, как они пересекли границу N/F2, будет еще помнить свое старое направление. Конечно, через некоторое время направления спинов всех инжектированных электронов придет в равновесие с F2. Так вот, оказывается, что этот процесс прихода в равновесие происходит очень быстро и из-за этого разница между «старым» и равновесным направлениями спинов носителей не исчезает (не преобразуется в тепло, например), а передается намагниченности слоя F2.

Этот явление называется перенос спина. Чтобы прочувствовать характерные масштабы: длина, на которой происходит передача спина от носителей к магнитным моментам, составляет 1-2 нанометра. В немагнитном слое спин сохраняет свою поляризацию на расстояниях в сотни нанометров и более.

Итак, намагниченность слоя при инжекции одного электрона получает небольшое приращение. Если поляризованных электронов инжектируется достаточно много, то это может привести к движению намагниченности и даже к перевороту ее, что активно используется и имеет большие перспективы для применения.

Но доклад посвящен не этому явлению, а движению доменных стенок током. Речь пойдет о движении током доменных стенок, находящихся в тонких пленках (единицы нанометров) с поперечным сечением в сотни (или десятки) нанометров. Так вот, в экспериментах было обнаружено, что при пропускании тока через такие доменные стенки последние могут придти в движение.

Причина, по которой доменная стенка может придти в движение, состоит в следующем []. Фактор 1. Оказывается, что у электрона при движении через доменную стенку, спин не будет успевать адаптироваться к локальному направлению намагниченности. В результате, поляризация носителей будет составлять некоторый угол с направлением намагниченности локализованных моментов (см. рис. 2а). Таким образом, в каждой точке доменной стенки спин электронов будет обладать небольшой поперечной компонентой относительно локального направления намагниченности. Фактор 2. А теперь вспомним про механизм переноса спина. Согласно сказанному выше, данная поперечная компонента будет передаваться магнитным моментам (см. рис. 2б); это приведет к движению доменной стенки в направлении движения электронов.


а)

б)

Рис. 2.а) при пролете через достаточно узкую доменную стенку спин электронов (белые стрелки) с опозданием адаптируется к локальному направлению намагниченности (черные стрелки). б) Неравновесная поперечная компонента поляризации носителей (белые стрелки) передается магнитным моментам внутри доменной стенки (черные стрелки); это приводит к движению последней.


Обратим внимание на отличие динамики доменных стенок в случае, когда движение вызвано магнитным полем, от случая, когда оно вызвано током – см. рис. 3. При приложении поля к набору магнитных доменов те домены, которые намагничены параллельно полю, будут расширяться, а те, которые намагничены антипараллельно – сжиматься. При приложении тока к тому же набору доменов все домены будут сдвигаться в одном и том же направлении без изменения относительного расположения.




Рис. 3. Схематичное изображение движения доменных стенок а) полем и б),в) током, текущим в положительном или отрицательном направлениях.


Типичные критические плотности токов j_cr, при которых происходит движение доменных стенок, сильно разнятся в различных экспериментах. Они зависят от качества пленок, от величины потенциала пиннингующих центров и т.д. Так, движение доменных стенок в тонких длинных пермаллоевых пленках было зафиксировано при j_cr ~ 10⁶-10⁷ A/cm² [,]. Срыв (депиннинг) доменных стенок с пиннингующих центров (т.е. с дефектов, к которым прикрепляются домены границы, от англ. pinning – прикрепление, пришпиливание), подобных наноконтакту, изображенному на рисунке 5, в пермаллоевых наноструктурах происходит при j_cr ~ 10⁶-10⁸ A/cm² [-]. Депиннинг доменных стенок с наноконтактов, изготовленных из разбавленных магнитных полупроводников, наблюдался при j_cr ~ 10⁴-10⁵ A/cm² [].

Практический интерес к данному явлению стимулируется, например, успехами и проблемами в области создания элементов магнитной памяти MRAM. В основе работы последней лежит запись информации в виде состояния намагниченности в свободном слое (т.е. слое с малой коэрцитивностью) магнитной многослойной ячейки. Согласно многим оценкам, такая память должна потенциально обладать:

а) достаточно простой конструкцией,

б) высокой скоростью записи/считывания,

в) сохранять свое состояние при отключении энергии,

г) позволять производить большое количество циклов записи,

д) потреблять малое количество энергии.

Т.о. она вполне может заменить многие полупроводниковые виды памяти, в которых один или несколько из перечисленных выше пунктов не выполняются. (Память подобного рода называется универсальной памятью.) Первый коммерческий чип MRAM был выпущено в июле этого (2006) года [,,].

Планируется, что с помощью движения доменных стенок током будет возможно сделать переключение магнитной памяти, как это изображено на рис. 4. Это позволит значительно упростить ячейку MRAM и добиться уменьшения энергии перезаписи в несколько раз по сравнению с существующими конструкциями.




Рис. 4. Возможный вариант конструкции ячейки памяти MRAM. Положение доменной стенки в свободном слое структуры определяет состояния «0» и «1». Изменение магнитного состояния свободного слоя осуществляется с помощью индуцированного током движения доменной стенки (Лента – магнитная среда, на которой записывается информация, параллелепипед внизу –головка считывания).

Литература

1. J. Slonczewski. J. Magn. Magn. Mater., 159 (1996) L1.
   
2. L. Berger. Phys. Rev. B, 54 (1996) 9353.
   
3. M. Tsoi, A. G. M. Jansen, J. Bass, et al. Phys. Rev. Lett., 80 (1998) 4281.
   
4. E. B. Myers, D.C. Ralph, J. A. Katine, et al. Science, 285 (1999) 867.
   
5. A. Katine, F. J. Albert, R. A. Buhrman, et al. Phys. Rev. Lett., 84 (2000) 3149.
   
6. J. Grollier, P. Boulenc, V. Cros, et al. Appl. Phys. Lett., 83 (2003) 509.
   
7. E. Saitoh, H. Miyajima, T. Yamaoka et al. Nature (London), 432 (2004) 203.
   
8. S. Zhang, Z. Li. Phys. Rev. Lett., 93 (2004) 127204.
   
9. G. Tatara and H. Kohno. Phys. Rev. Lett., 92 (2004) 086601.
   
10. S. H. Florez, C. Krafft, R. D. Gomez. J. Appl. Phys., 97 (2005) 10C705.
    
11. S. Lepadatu and Y. B. Xu, Phys. Rev. Lett., 92 (2004) 127201.
    
12. T. Kimura, Y. Otani, I. Yagi, et al. J. Appl. Phys., 84 (2003) 7266.
    
13. M. Kläui, P.-O. Jubert, R. Allenspach, et al. Phys. Rev. Lett., 95, (2005) 026601.
    
14. M. Yamanouchi, D. Chiba, F. Matsukura, et al. Nature (London), 428, (2004) 539.
    
15. ссылка скрыта
    
16. L. Savtchenko et al. Method of writing to scalable magnetoresistance random access memory element. US patent 6,545,906 B1 (2001).
    
17. ссылка скрыта