GdFeCo/Ir/GdFeCo合成铁磁体中的概率切换与延迟阶跃函数磁后效

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Probabilistic switching with delayed step-function magnetic aftereffect in GdFeCo/Ir/GdFeCo synthetic ferrimagnets

　　摘要：GdFeCo/Ir/GdFeCo结构独特地结合了两种类型的反铁磁耦合：其一，它们属于合成铁磁体，每一层GdFeCo的宏观自旋通过Ir间隔层与另一层GdFeCo的宏观自旋发生反铁磁耦合；其二，在GdFeCo层内部，Gd和FeCo子晶格的磁矩也呈反铁磁耦合状态，且存在接近室温的补偿点。这种“双重铁磁体”中层内与层间反铁磁相互作用的共存，导致了非传统的磁化动力学行为，包括存在多种磁畴形态的状态间转换以及开关延迟的随机性。时间分辨磁化测量显示，在层磁矩方向相反的状态之间转换时，磁化会以随机延迟的阶梯式方式变化。开关延迟时间比磁畴传播时间长1到3个数量级。当温度接近GdFeCo的补偿点时，会观察到多模态松弛过程，表现为一系列具有不同延迟时间的开关事件。GdFeCo/Ir/GdFeCo结构被视为神经形态自旋电子学系统中的基本器件，其可控的磁切换随机性可用于模拟人工神经元网络中的脉冲通信和突触响应。

引言：具有概率性切换特性的磁性结构在神经形态计算领域备受关注[1]、[2]。将确定的磁态集合与由外加磁场控制的随机转换激活概率相结合，可构建出兼具神经元放电功能和突触学习功能的磁隧道结（MTJs）[3]。此外，通过在具有颗粒纹理的自由层中产生涡旋态，还可以利用涡旋核在晶界间的固定与释放来实现储层计算功能[4]。目前，神经形态自旋电子学的研究大多集中在纳米级器件上[5]、[6]，包括自旋扭矩纳米振荡器[7]、[8]、[9]，以及同时具备磁畴传播[10]、隧穿磁阻效应[11]、自旋霍尔效应[12]和忆阻行为的多功能自旋电子学结构[13]、[14]。这些器件的微型化能够提高器件阵列的空间密度，从而提升存储容量，并有助于以更低的能量消耗在更短时间内处理更多信息[15]、[16]。不过，研究更大尺寸的体系也同样重要，因为宏观结构中磁化反转的基本过程和机制与纳米结构有显著差异[17]。在本研究中，我们报道了在大面积薄膜GdFeCo/Ir/GdFeCo结构中观察到的概率性阶跃函数式磁化切换现象，这类结构中铁磁体GdFeCo层之间存在反铁磁RKKY耦合。鉴于GdFeCo层在磁记录介质中的广泛应用[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]，将其集成到神经形态器件中具有特殊意义。除了在磁光记录领域的成熟应用[18]、[19]外，GdFeCo薄膜及多层结构在超快磁学领域也展现出巨大潜力[20]、[21]，可实现全光磁化切换[22]、[23]，且磁畴传播速度可超过1公里/秒[24]、[25]，这为纳米尺度下的亚皮秒级磁畴切换提供了可能。本研究对4K至350K宽温度范围内GdFeCo基合成铁磁体中的磁化反转动力学进行了详细表征，重点分析了不同磁滞松弛模式的热磁条件。该研究旨在对磁化反转动力学的统计特性进行描述，并设计出基于GdFeCo的磁神经元-突触模型，以模拟神经形态自旋电子学器件的功能。

结构片段：GdFeCo合成铁磁体样品。该结构的完整堆叠顺序为Ta(5.6) / Cu(4.0) / GdFeCo(5.0) / Ir(0.6) / GdFeCo(4.2) / Cu(4.0) / Pt(5.0)，各层厚度以纳米计。该结构的横截面透射电镜图像见图1(a)。这些样品是通过高真空磁控溅射法制备的，沉积条件的详细说明可见之前的研究[26]、[27]。GdFeCo层和Ir层为非晶态，而Cu层为多晶态。其化学组成为Gd0.24(Fe0.9Co0.1)0.76。

磁化反转的热力学行为：SF结构中各GdFeCo层的状态间转换场以及磁化反转的关键参数均随温度变化而发生显著改变（见图2）。当温度从350K降至280K时，面内饱和场HS||会增加两倍以上（见图2(a)）；而在同一温度范围内，垂直于面的饱和场HS┴以及P+态与AP+态之间的转换场HB┴则变化了近四倍（见图2(b)）。

4K低温下的表现：交换耦合能与各向异性能的竞争作用。双层样品中磁态的能量由RKKY耦合以及磁化层在磁场中的塞曼能决定：E=ERKKY+EZ。在AP+态和AP-态的宏观自旋模型中，这两个能量项的表达式分别为：ERKKY (AP+) = ERKKY (AP-) = ?JAFM1M2/M1‖M2，AN S=?EEXEZ (AP+) = ?(MAP+ · H) = ?M2?M1∣H∣–χH·H=?M2?M1H?χH2，EZ (AP-) = ?(MAP- · H) = ?M1?M2∣H∣–χH·H=M2?M1H?χH2，其中M1 [emu]和M2 [emu]分别表示第一层和第二层GdFeCo的磁矩，JAF [erg]为RKKY交换能。

结论与展望：在GdFeCo/Ir/GdFeCo合成铁磁体中观察到了延迟型阶跃函数式磁滞现象。这一现象发生在第一层和第二层GdFeCo中磁化方向相互反平行的AP+态与AP-态之间的转换过程中。磁弛豫曲线呈现突然的单步切换特征，且切换延迟时间具有随机性。在多次实验中使用相同的脉冲场序列触发转换时，会发现磁化切换时间存在较大差异。

作者贡献说明：Artem Talantsev：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、资源获取、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念设计。Roman Morgunov：监督指导、项目管理、资金申请。Cristiana Alves：资源提供、实验研究。Elvira Paz：资源提供、实验研究。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了俄罗斯科学院化学物理与医学化学问题联邦研究中心项目124020700089-3的支持。作者感谢S. Mangin教授提供的样品。

Artem Talantsev | Roman Morgunov | Cristiana Alves | Elvira Paz
俄罗斯莫斯科切尔诺戈洛夫卡142432，化学物理与医学化学问题联邦研究中心