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); J. Magn. Magn. Mater. 247, 324 (2002). [2] G. D. Fuchs, N. C. Emley, I. N. Krivorotov, P. M. Braganca, E. M. Ryan, S. I. Kiselev, J. C. Sankey, D. C. Ralph, R. A. Burman, J. A. Katine, Appl. Phys. Lett. 85, 1205 (2004). [3] J. S. Moodera, G. Mathon, J. Magn. Magn. Mater. 200, 248 (1999). [4] Z. Diao, D. Apalkov, M. Pakala, Y. Ding, A. Panchula, Y. Huai, Appl. Phys. Lett. 87, 232502 (2005). [5] L. Torres, L. Lopez-Diaz, E. Martinez, M. Carpentieri, G. Finocchio, J. Magn. Mag. Mat., 286, 381, (2005). M. Carpentieri, G. Finocchio, B. Azzerboni, L. Torres, L. Lopez-Diaz, E. Martinez, 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. Carpentieri, G. Consolo, B. Azzerboni, L. Torres, E. Martinez, L. Lopez-Diaz, J. Appl. Phys. 99 08G507 (2006). [6] J. Slonczewski, Phys. Rew. B, 71, 024411 (2005). [7] W. F. Jr Egelhoff, R. D. McMichael, C. L. Dennis, M. D. Stiles, A. J. Shapiro, B. B. Maranville, C. J. Powell, App. Phys. Lett., 88, 162508, (2006). [8] G. D. Fuchs, J. A. Katine, S. I. Kiselev, D. Mauri, K. S. Wooley, D. C. Ralph, and R. A. Buhrman, Phys. Rev. Lett., 96, 186603 (2006).