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Oct 18, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18724 (2022) Citar este artigo

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Apresentamos a visualização elemento-específica e resolvida no tempo de excitações de ressonância ferromagnética uniforme de uma microestrutura de bicamada de disco de Permalloy (Py)-Cobalto (Co). O componente transversal de alta frequência da magnetização excitada por ressonância é amostrado no regime ps por uma combinação de ressonância ferromagnética (FMR) e microscopia de raios-X de transmissão de varredura (STXM-FMR) registrando instantâneos da precessão de magnetização local de Py e Co com nanômetro resolução espacial. A abordagem nos permite imaginar individualmente a resposta dinâmica ressonante de cada elemento, e descobrimos que o momento angular é transferido do disco Py para a faixa Co e vice-versa em suas respectivas ressonâncias. O espectro FMR integral (cavidade) de nossa amostra mostra uma terceira ressonância adicional inesperada. Essa ressonância também é observada nos experimentos STXM-FMR. Nossos achados microscópicos sugerem que ele é governado pela troca magnética entre Py e Co, mostrando para a faixa de Co uma diferença na fase relativa da magnetização devido à influência do campo disperso.

Para a futura tecnologia da informação são necessários novos conceitos envolvendo a carga do elétron, bem como seu spin como unidade de informação1. Várias abordagens para lógica baseada em magnetismo foram introduzidas, variando de conceitos baseados em solitons2, a magnônica na forma de, por exemplo, computação magnônica geneticamente modificada3,4 para superar as várias limitações, por exemplo, carga térmica e necessidades de energia, encontradas pela moderna tecnologia de computadores. Este campo de spintrônica e magnônica requer o estudo de estruturas magnéticas ainda menores no regime de gigahertz e terahertz.

Os dispositivos baseados em spin geralmente consistem em mais de um material, exigindo a compreensão das propriedades magnéticas dinâmicas específicas do elemento e os modos de onda de spin resultantes na escala nanométrica. Ressonância ferromagnética detectada por raios X (XFMR) 5,6,7,8,9,10,11,12,13, combinando ressonância ferromagnética (FMR) com magnetometria específica do elemento por meio de dicroísmo circular magnético de raios X (XMCD) ( ver14,15 e referências nele contidas) é uma ferramenta única para enfrentar esse desafio.

Neste estudo, a Microscopia de Raios-X de Transmissão por Varredura detectou FMR (STXM-FMR)16, oferecendo amostragem temporal até 17 ps e resolução lateral nominal abaixo de 50 nm na geometria XFMR transversal com uma excitação de onda contínua da amostra16,17, 18,19,20,21. Respostas ressonantes uniformes e não uniformes nas escalas micro-22,23 e sub 50 nm24 foram monitoradas e analisadas. Aqui nós investigamos excitações ressonantes de uma microestrutura bicamada consistindo de uma faixa de Cobalto (Co) depositada em um disco de Permalloy (Py) com especificidade de elemento. Estudos anteriores de bicamadas ferromagnéticas ultrafinas igualmente dimensionadas (espessura geralmente de cerca de 10 nm ou abaixo) mostraram dois modos de ressonância uniforme, normalmente explicados como modos ópticos ou acústicos em fase e fora de fase, por exemplo25. Nas medições convencionais de FMR de nossa microestrutura de bicamada com uma espessura total de 60 nm, as ressonâncias individuais das microestruturas de Py e Co são identificadas. Além disso, observa-se uma terceira ressonância em ambos os materiais, que não pode ser explicada pela abordagem acima para bicamadas ultrafinas de dimensões iguais, mas por Py e Co ressoando em fase como uma entidade, mediada por acoplamento de troca. Assim, pelo nosso STXM-FMR espacial, temporal e específico do elemento, a origem das três ressonâncias é revelada, visualizando também variações locais de fase e amplitude, que não são visíveis nos espectros FMR convencionais.

Medimos as excitações FMR em seu regime linear usando uma configuração STXM-FMR baseada em microrressonador, específica de elemento e resolvida espacialmente, realizada na Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL)16,18. A amostra é uma tira policristalina de Co (2,0 \(\upmu\)m de comprimento, 0,5 \(\upmu\)m de largura, 30 nm de espessura) depositada em um disco de Permalloy(Py) policristalino com 2,5 \(\upmu\) m de diâmetro e 30 nm de espessura (ver Fig. 1a). É fabricado por uma litografia de três etapas e deposição de feixe de elétrons do material ferromagnético26 em uma membrana de Si\(_{3}\hbox {N}_{4}\) de 200 nm de espessura. Para medir o espectro FMR a amostra é posicionada no loop em forma de ômega de um micro-ressonador oferecendo uma sensibilidade de \(10^{6}\) \(\mu _{\text{B}}\)27,28 ,29. A amostra é excitada por um campo homogêneo de micro-ondas linearmente polarizado com uma amplitude de \(\le\) 1,5 mT. Uma imagem STXM da amostra usando um tamanho de passo de 100 nm é mostrada na Fig. 1b.