dinamiche di magnetizzazione dovute a corrrenti spin

DINAMICHE DI MAGNETIZZAZIONE DOVUTE A CORRRENTI SPINPOLARIZZATE IN MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS
Giovanni Finocchio, Bruno Azzerboni, Mario Carpentieri, Pietro Carta, Giancarlo Consolo,
Antonino Romeo
Dipartimento di Fisica della Materia e Tecnologie Fisiche Avanzate.
Università di Messina.
Salita Sperone 31, 98166, Messina Italia
La crescente miniaturizzazione dei sistemi magnetici ha permesso la nascita di una nuova serie di
dispositivi in cui oltre alla carica ha importanza lo spin dell’elettrone. In questa memoria sono
presentati i principali risultati ottenuti relativamente alle dinamiche di magnetizzazione dovute a
correnti spin-polarizzate in nano dispositivi, in particolare verranno presentati quelli ottenuti nelle
giunzioni magnetiche ad effetto tunnel. Questi dispositivi sono formati da due materiali
ferromagnetici separati da una barriera di isolante di spessore dell’ordine del nanometro. I due
ferromagneti presentano un campo coercitivo diverso o perché hanno spessore diverso o perché uno
dei due è accoppiato con un materiale antiferromagnetico. Indicheremo come layer fisso (PL) il
ferromagnete con il campo coercitivo maggiore, come layer libero (FL) l’altro. Quando la
magnetizzazione dei due layer è allineata si ha uno stato di bassa resistenza (LR), quando sono antiallineati si ha uno stato di elevata resistenza (HR). I risultati sono ottenuti mediante la soluzione
numerica (simulazioni micromagnetiche) dell’equazione di Landau–Lifshitz–Gilbert-Slonczewski.
La funzione di polarizzazione usata è quella calcolata da Slonczewski nel 2005. La composizione
della struttura studiata è la seguente CoFe (8nm)/x(0.8nm)/Py (Permalloy)(4nm) di sezione ellittica
con la diagonale maggiore pari a 90nm quella minore pari a 35 nm, dove x rappresenta AlO o MgO.
Simulazioni statiche della struttura mettono in evidenza che il campo di accoppiamento
magnetostatico dovuto al PL è dell’ordine di 50mT e che il campo coercitivo è di circa 55mT. Il
diagramma dinamico di stabilità è stato studiato per un range di campi applicati tra 0 e 200 e di
correnti tra 0 e 2 107A/cm2. Consideriamo inoltre una barriera di isolante senza pinholes e l’orange
peel coupling trascurabile.
I risultati ottenuti mostrano che per determinati valori di campo e di corrente si può avere lo stato
LR, HR, transizioni LRÆHR e viceversa, dinamiche di magnetizzazione caotiche o dinamiche di
oscillazione con un chiaro picco in frequenza, quest’ultimo comportamento è dovuto alle frequenze
di auto-oscillazione proprie del sistema.
Un esempio di dinamica magnetica è riportata in Fig. 1, in particolare la Fig. 1(a) mostra le tre
componenti medie della magnetizzazione x (solid line), y (dashed line), e z (dotted line) dovute ad
un campo magnetico esterno di 50mT ed ad una densità di corrente elettrica pari a -0.97 107A/cm2.
Considerando la parte di Fig.1 in alto a destra si osserva la configurazione spaziale degli spin in 3
diversi istanti significativi: A (x minimo, y massimo), B (x massimo, z massimo), e C (x minimo, y
minimo). Come può essere notato le configurazioni magnetiche associate a tale tipo di dinamica
sono molto prossime a configurazioni di magnetizzazione uniformi. La Figura 1(b) mostra la vista
3D del moto della magnetizzazione media dello stesso processo di Fig.1 (a). Questo comportamento
è tipico per i regimi di campo applicato basso. In particolare, uno studio numerico relativo
all’andamento della frequenza dell’oscillazione in funzione del campo applicato mostra che esiste
un legame di tipo lineare in cui all’aumentare del campo applicato, per una corrente fissata, la
frequenza delle oscillazioni aumenta. In regime di elevato campo applicato, si osservano anche
fenomeni di oscillazione di tipo caotico. I risultati numerici presentati in questa memoria sono
confermati da recenti misure sperimentali dando il via alla possibilità di poter utilizzare le giunzioni
magnetiche ad effetto tunnel quali nano-oscillatori.
FIG. 1: (a) Evoluzione temporale delle componenti x (solid line), y (dashed line), e z (dotted line) della
magnetizzazione media dovuta ad un campo magnetico esterno di 50mT ed ad una densità di corrente elettrica pari a 0.97 107A/cm2; (alto destra) configurazione spaziale degli spin in 3 diversi istanti significativi riportati in Fig.1(a): A (x
minimo, y massimo), B (x massimo, z massimo), e C (x minimo, y minimo); (b): vista 3D del moto della
magnetizzazione media dello stesso processo di Fig.1 (a).
[1] J. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996); J. Magn. Magn. Mat. 195, L261 (1999);
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[5] L. Torres, L. Lopez-Diaz, E. Martinez, M. Carpentieri, G. Finocchio, J. Magn. Mag. Mat., 286,
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J. Appl. Phys. 97, 10C713, (2005). G. Finocchio, M. Carpentieri, B. Azzerboni, L. Torres, E.
Martinez, L. Lopez-Diaz, J. Appl. Phys. 99 08G522 (2006). G. Finocchio, I. Krivorotov, M.
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