Facilitating electrical and laser-induced skyrmion nucleation with a dipolar-field enhanced effective DMI

技術要約：双極子場によって強化された有効DMIによる、電気的およびレーザー誘起スカイミオン核生成の促進

問題提起
スカイミオンのようなカイラル磁性テクスチャの安定性と制御性は、ジャロシンスキー・守谷相互作用（DMI）に大きく依存している。磁性多層膜において、界面DMIはネール型ドメイン壁とスカイミオンを安定化させ、一様なカイラリティを保証し、電流駆動による運動を可能にする。しかし、厚みや磁気モーメントが大きい多層膜では、長距離双極子相互作用がDMIと競合する場合がある。具体的には、面外方向の磁化によって生成される双極子場が、ドメイン内の面内場を形成し、特定の層においてDMIに抗うことで、ヘテロカイラルなドメイン壁や安定性の低下を引き起こす可能性がある。この双極子効果は、電流駆動の運動に対しては有害であるとしばしば見なされるが、スカイミオンの小型化と高安定化には不可欠でもある。課題は、層の厚さや組成を変更する際に通常発生するような、飽和磁化や一軸異方性といった他の磁気パラメータを同時に変化させることなく、有効DMIの効果を単離することにある。

手法
著者らは、有効DMIを系統的に変化させつつ、平均的な飽和磁化（$M_s$）および一軸異方性（$K_u$）を同一に保つために、4種類の異なるIr/Co/Ptベースの磁性多層膜スタックを作製した。構成要素となるビルディングブロックは、2種類の三層構造である：$[Pt(1) | Co(1) | Ir(1)]$（正の固有DMI）および $[Ir(1) | Co(1) | Pt(1)]$（負の固有DMI）である。

1. Uniform+ および Uniform- スタック： 単一の三層構造タイプを6回繰り返しており、スタック全体で固有DMIの符号が均一である。
2. Enhanced（強化型）スタック： 正のDMIを持つ三層構造を3回繰り返した後、負のDMIを持つ三層構造を3回繰り返した構成。この構成では、DMI有効場がすべての層において双極子場と平行になるため、理論的に有効DMIが増強される。
3. Reduced（低減型）スタック： 負のDMIを持つ三層構造を3回繰り返した後、正のDMIを持つ三層構造を3回繰り返した構成。この構成では、DMI有効場が双極子場と反平行になるため、理論的に有効DMIが減少する。

試料は、磁気パラメータの測定にはSQUID-VSMを、平衡ドメイン幅の測定およびLemeshらによるモデルを用いた有効DMI強度（$|D_{eff}|$）の決定には磁気力顕微鏡（MFM）を用いて特性評価された。スカイミオンの核生成は、以下の2つの方法で誘導された：

• 電流駆動： 細い電流ラインを用いた50 nsの電流パルスを使用。
• レーザー誘起： 単一の70 fsレーザーパルスを使用。
  いずれの場合も、面外バイアス場を印加した状態で核生成が行われ、得られたスカイミオン密度と安定性が分析された。

主な結果

• 有効DMIの変調： 特性評価により、EnhancedスタックとReducedスタックがほぼ同一の$M_s$および$K_u$値（2つのUniformスタックの平均値）を持つことが確認された。しかし、有効DMIは著しく異なっていた。Enhancedスタックは、平均に対して$(0.34 \pm 0.08) \text{ mJ m}^{-2}$増加を示したのに対し、Reducedスタックは$(0.6 \pm 0.1) \text{ mJ m}^{-2}$減少を示した。これらの実験値は、双極子寄与を予測するMuMax3シミュレーションおよび解析モデルとよく一致していた。
• スカイミオン核生成密度： 最も重要な知見は、核生成密度への影響である。Enhancedスタックにおける核生成スカイミオンの密度は、電流駆動による核生成ではReducedスタックよりも最大で約20倍高く、飽和状態でのレーザー誘起核生成では4倍高かった。
• 閾値： 驚くべきことに、核生成を開始するために必要な閾値電流密度（$J_c$）および閾値フルエンス（$F_c$）は、両方のスタックタイプでほぼ同一であった。これは、有効DMIが核生成の初期エネルギー障壁よりも、主に核生成されたスカイミオンの安定性と生存に影響を与えることを示唆している。
• 安定性： Enhancedスタックのスカイミオンは、Reducedスタックと比較して、より強い磁場においても安定に留まった。これは、有効DMIの増強による安定性の向上をさらに裏付けるものである。
• ダイナミクス： 予備的な測定により、デバイスの半分で積層順序が反転しているにもかかわらず、Enhancedスタックにおいてスピン軌道トルク（SOT）が依然としてドメイン壁およびスカイミオンの運動を駆動できることが示された。これは、SOTの符号変化とカイラリティが互いに相殺し合うためである。

意義および主張
本論文は、磁性多層膜におけるスカイミオン核生成が、有効DMIの大きさに強く依存することを実験的に示したと主張している。内部の双極子場を特定の層依存的な積層順序と組み合わせることで、著者らは他の材料パラメータを変えることなく有効DMIを制御することに成功した。

著者らは、このアプローチが、カイラル磁性テクスチャの核生成と安定性を促進するための効果的な経路を提供すると述べている。彼らは、本研究の結果が、磁性多層膜における内部双極子相互作用に対するレーザー誘起スカイミオン核生成の依存性に関する最初の知見を提供するものであることを強調している。本研究は、たとえ核生成の閾値自体にはほとんど影響を与えないとしても、双極子場をDMIと整列させるように積層順序を設計することが、特に核生成されるスカイミオンの密度と安定性を向上させるための、スカイミオン・デバイスの最適化に向けた有効な戦略であることを示唆している。