Новый стационарный режим связанных колебаний вихрей в трехслойном спин-трансферном наноосцилляторе при больших значениях токов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследуется влияние большого по величине спин-поляризованного тока на связанную динамику вихрей в спин-трансферных наноосцилляторах диаметром 400 нм. Обнаружены новые стационарные режимы связанных колебаний вихрей как для одинаковых, так и для противоположных полярностей ядер. Изучена зависимость частоты стационарных связанных колебаний магнитных вихрей от величины спин-поляризованного тока. Найденный эффект можно использовать для повышения рабочих частот спин-трансферных наноосцилляторов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. И. Антонов

Уфимский Университет Науки и Технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: georgij.antonow@yandex.ru
Россия, ул. Заки Валиди, 32, Уфа, 450076

Е. Г. Екомасов

Уфимский Университет Науки и Технологий; Башкирский Государственный Педагогический Университет

Email: georgij.antonow@yandex.ru
Россия, ул. Заки Валиди, 32, Уфа, 450076; ул. Октябрьской революции, 3-а, Уфа, 450008

К. А. Звездин

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: georgij.antonow@yandex.ru
Россия, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

Н. Г. Пугач

Национальный исследовательский университет “Высшая Школа Экономики”

Email: georgij.antonow@yandex.ru
Россия, ул. Мясницкая, 20, Москва, 101000

Список литературы

  1. Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers // J. Magn. Mater. 1996. V. 159. Р. L1–L7.
  2. Berger L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current // Phys. Rev. 1996. V. 54. Р. 9353.
  3. Tsoi M., Jansen A.G.M., Bass J., Chiang W.-C., Seck M., Tsoi V., and Wyder P. Excitation of a Magnetic Multilayer by an Electric Current // Phys. Rev. Letters. 1998. V. 80. Р. 4281.
  4. Kiselev S., Sankey J., Krivorotov I.N., Emley N.C., Shoelkopf R.J., Buhrman R.A., Ralph D.C. Microwave oscillations of a nano-magnet driven by a spin-polarized current // Nature. 2003. V. 425. P. 380–383.
  5. Grollier J., Boulenc P., Cros V., Hamzić A., Vaurès A., Fert A., Faini G. Switching a spin valve back and forth by current-induced domain wall motion // Appl. Phys. Letters. 2003. V. 83. P. 509–511.
  6. Ivanov B.A., Zaspel C.E. Excitation of spin dynamics by spin-polarized current in vortex state magnetic disks // Phys. Rev. Letters. 2007. V. 99. P. 247208.
  7. Guslienko K.Y. Magnetic Vortex State Stability, Reversal and dynamics in restricted geometries // J. Nanoscience and Nanotechnology. 2008. P. 2745. doi: 10.1166/jnn.2008.18305
  8. Dussaux A., Georges B., Grollier J., Cross V., Khvalkovskiy A.V., Fukushima A., Konoto M., Kubota H., Yakushiji K., Yuasa S., Zvezdin K.A., Ando A., Fert A. Large microwave generation from current-driven magnetic vortex oscillators in magnetic tunnel junctions // Nature Communicatio. 2010. V. 1. P. 8.
  9. Yu D., Kang K., Berakdar J., Jia C. Nondestructive ultrafast steering of a magnetic vortex by terahertz pulses // NPG Asia Мater. 2020. V. 12. P. 36. doi: 10.1038/s41427-020-0217-8
  10. Grollier J., Querlioz D., Camsari K.Y., Everschor-Sitte K., Fukami S., Stiles M.D. Neuromorphic spintronics // Nature Electronics. 2020. V. 3. P. 360–370. doi: 10.1038/s41928-019-0360-9
  11. Wittrock S., Talatchian P., Romera M., Menshawy S., Garcia M.G., Cyrille M.-C., Ferreira R., Lebrun R., Bortolotti P., Ebels U., Grollier J., Cros V. Beyond the gyrotropic motion: Dynamic C-state in vortex spin torque oscillators // Appl. Phys. Letters. 2021. V. 118. P. 012404. doi: 10.1063/5.0029083
  12. Stebliy M.E., Jain S., Kolesnikov A.G., Ognev A.V., Samardak A.S., Davydenko A.V., Sukovatitcina E.V., Chebotkevich L.A., Ding J., Pearson J., Khovaylo V., Novosad V. Vortex dynamics and frequency splitting in vertically coupled nanomagnets // Sci. Reports. 2017. V. 7. P. 1127. doi: 10.1038/s41598-017-01222-4
  13. Guslienko K.Y., Buchanan K.S., Bader S.D., Novosad V. Dynamics of coupled vortices in layered magnetic nanodots // Appl. Phys. Letters. 2005. V. 86. P. 223112. doi: 10.1063/1.1929078
  14. Zvezdin K.A., Ekomasov E.G. Spin Currents and Nonlinear Dynamics of Vortex Spin Torque Nano-Oscillators // Phys. Metals and Metal. 2022. V. 123. P. 201. doi: 10.1134/S0031918X22030140
  15. Usov N.A., Peschany S.E. Magnetization curl-ing in a fine cylindrical particle // JMMM. 1993. V. 118. P. L290–L294.
  16. Locatelli N., Ekomasov A.E., Khvalkovskiy A.V., Azamatov S.A., Zvezdin K.A., Grollier J., Ekomasov E.G., Cros V. Reversal process of a magnetic vortex core under the combined action of a perpendicular field and spin transfer torque // Appl. Phys. Letters. 2013. V. 102. P. 062401. doi: 10.1063/1.4790841
  17. Cherepov S.S., Koop B.C., Galkin A.Y., Khymyn R.S., Ivanov B.A., Worledge D.C., Korenivski V. Core-Core dynamics in spin vortex pairs // Phys. Rev. Letters. 2012. V. 109. P. 097204.
  18. Holmgren E., Bondarenko A., Ivanov B.A., Korenivski V. Resonant pinning spectroscopy with spin-vortex pairs // Phys. Rev. Letters. 2018. V. 97. P. 094406. doi: 10.1103/B.97.094406
  19. Sluka V., Kakay A., Deac A.M., Burgler D.E., Schneider C.M., Hertel R. Spin-torque-induced dynamics at fine-split frequencies in nano-oscillators with two stacked vortices // Nature Comm. 2015. V. 6. P. 6409. doi: 10.1038/ncomms7409
  20. Ekomasov A.E., Stepanov S.V., Zvezdin K.A., Ekomasov E.G. Spin current induced dynamics and polarity switching of coupled magnetic vertices in three-layer nanopillars // JMMM. 2019. V. 471. P. 513. doi: 10.1016/j.jmmm.2018.09.077
  21. Gaididei Y., Kravchuk V.P., Sheka D.D. Magnetic vortex dynamics induced by an electrical current // International Journal of Quantum Chemistry. 2009. V. 110. P. 83–97. doi: 10.1002/qua.22253
  22. Guslienko K.Y., Sukhostavets O.V., Berkov D.V. Nonlinear magnetic vortex dynamics in a circular nanodot excited by spin-polarized current // Nanoscale Research Letters. 2014. V. 9. P. 386. doi: 10.1186/1556 276X-9 386
  23. Ekomasov E.G., Stepanov S.V., Zvezdin K.A., Pugach N.G., Antonov G.I. The Effect of the Spin-Polarized Current on the dynamics and structural changes of magnetic vortices in a large-diameter threelayer conducting Nanocylinder // Phys. Met. Metal. 2021. V. 122. Р. 197–204. doi: 10.1134/S0031918X21030054
  24. Ekomasov E.G., Stepanov S.V., Nazarov V.N., Zvezdin K.A., Pugach N.G., Antonov G.I. Joint effect of a magnetic field and a spin-polarized current on the coupled dynamics of magnetic vortices in a spin-transfer nano-oscillator // Techn. Phys. Letters. 2021. V. 47. No. 9. P. 870–872. doi: 10.1134/S1063785021090030
  25. Ekomasov A.E., Stepanov S.V., Zvezdin K.A., Ekomasov E.G. Influence of perpendicular magnetic field and polarized current on the dynamics of coupled magnetic vortices in a thin nanocolumnar trilayer conducting structure // Phys. Met. Metal. 2017. V. 118. P. 328–333. doi: 10.1134/S0031918X17020028
  26. Volkov О.M., Кravchuk V.P., Sheka D.D., Gaididei Y. Spin-transfer torque and current-induced vortex superlattices in nanomagnets // Phys. Pev. B. 2011. V. 84. P. 052404. doi: 10.1103/Phys. rev B.84.052404
  27. Wei Jin, Huan He, Yuguang Chen, and Yaowen Liu. Controllable vortex polarity switching by spin polarized current // J. Appl. Phys. 2009. V. 105. P. 013906. doi: 10.1063/1.3054305
  28. Naletov V.V., G. de Loubens, Albuquerque G., Borlenghi S., Cros V., Faini G., Grollier J., Hurdequint H., Locatelli N., Pigeau B., Slavin A.N., Tiberkevich V.S., Ulysse C., Valet T., Klein O. Identification and selection rules of the spin-wave eigen-modes in a normally magnetized nano-pillar // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. P. 224423.
  29. Chen T., Randy K.D., Eklund A., Muduli Pranaba K. Spin-Torque and Spin-Hall Nano-Oscillators // Proceedings of the IEEE. 2016. V. 104. P. 1919–1945. doi: 10.1109/JPROC.2016.2554518

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Траектория движения центра вихря при плотности тока j = 20×10⁷ А/см²: (а) в толстом слое, (б) в тонком слое. Точки 1 и 2 соответствуют моментам времени 0 и 10 нс соответственно.

Скачать (240KB)
Метаданные
3. Рис. 2. График зависимости (а) частоты, (б) радиуса стационарного режима движения вихрей от плотности тока.

Скачать (240KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Траектория движения вихря при плотности тока j = 26×10⁷ А/см² в толстом (а, б) и тонком слоях (в, г). (а) точка 1 – 12 нс, точка 2 – 14,3 нс, точка 3 – 14,4 нс, точка 4 – 15 нс. Точки 2 и 3 соответствуют моменту переключения, (б) продолжение траектории вихря рис. 2а, здесь видно, как вихрь выходит на стационарный режим после переключения полярности. Точка 4 – 15 нс, точка 8 – 25 нс; в тонком слое (в, г) траектория движения вихря при плотности тока j = 26×10⁷ А/см². Точка 1 – 12 нс, точка 2 – 14,3 нс, точка 3 – 14,4 нс, точка 4 – 15 нс, точка 5 – 16 нс, точка 6 – 16,1 нс, точка 7 – 16,2 нс, точка 8 – 25 нс.

Скачать (396KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Динамическое изменение структуры вихря в толстом слое, плотность тока j = 26×10⁷ А/см². Времена соответствуют точкам на рис. 3.

Скачать (410KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Динамическое изменение структуры вихря в тонком слое, плотность тока 26×10⁷ А/см². Времена соответствуют точкам на рис. 3.

Скачать (206KB)
Метаданные