Theory of spin-torque ferrimagnetic resonance

국문 초록 (Abstract)

스핀 토크 강자성 공명실험(Spin-Torque Ferromagnetic Resonance, ST-FMR)은 강자성체/비자성 금속 이중층에서 강자성체에 가해지는 스핀 궤도 토크(Spin-Orbit Torque)를 측정하는 데 사용되는 실험 중 하나로, ST-FMR 그래프 분석을 통해 두 형태로 나타나는 스핀 궤도 토크의 효율을 각각 계산할 수 있다. 최근 스핀 전류를 이용한 페리자성체(Ferrimagnets)의 자화 거동 연구가 진행되면서, 페리자성체/비자성 금속 이중층에서 나타나는 스핀궤도토크를 ST-FMR로 분석한 연구들이 발표된 바 있다. 그러나 이 방법이 페리자성체의 스핀 궤도 토크를 계산하는 데 타당성이 있는지 확인된 연구가 없는 상태이다. 본 논문에서는 스핀궤도토크에 의한 페리자성체의 공명현상(Spin-Torque Ferrimagnetic Resonance, ST-FiMR)을 분석하였다. 이론과 수치 모사를 통해 ST-FMR에서는 나타나지 않는 몇 가지 특성을 확인하였다. 먼저, ST-FiMR 값은 알짜 스핀 각운동량 값에 비례하여, 각운동량 보상점 조건 부근에서 부호가 변함을 확인하였다. 또한 각운동량 보상점 부근에서 반강자성체 거동의 기여로 인해, 감쇠 형태의 SOT만으로도 공명 시그널 값이 비대칭적으로 나타날 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, 페리자성체에서는 구성원자들의 Zeeman 에너지가 서로 상쇄되어, 자기장 형태의 SOT가 기여하는 공명 시그널 값은 매우 작음을 확인하였다. 해당 연구 결과는, 기존의 ST-FMR 분석법은 페리자성체에 작용하는 SOT의 크기와 부호를 정확히 계산하는 데 한계가 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, we report a theory of spin-torque-induced magnetic resonance in collinear ferrimagnets, i.e., spin-torque ferrimagnetic resonance (ST-FiMR). In Chapter 1, we introduce theoretical background for spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR). Then in Chapter 2, we derive rectified dc voltage signal in ferrimagnet / heavy metal bilayer structure with staggered Landau-Lifshitz-Gilbert equation, describing the dynamics of collinear antiferromagnetic system. We find that rectified DC voltages of ST-FiMR have several distinct features as compared to spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) signals. (i) The magnitude of ST-FiMR signal due to damping-like spin-orbit torque is almost linearly proportional to the net spin density and its sign changes near the angular momentum compensation condition. (ii) Because of antiferromagnetic dynamics, field dependence of ST-FiMR signal is asymmetric near the angular momentum compensation condition even when only damping-like spin-orbit torque is applied. (iii) Contribution of field-like spin-orbit torque to ST-FiMR signal is much smaller than that of damping-like spin-orbit torque, because of reduced Zeeman coupling. Our result suggests that the traditional ST-FMR line-shape analysis is unable to correctly estimate the spin-orbit torque magnitude and sign of ferrimagnets so that an analysis based on the ST-FiMR theory must be applied.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• 1 Theoretical Background 3
• 1.1 Magnetization Dynamics 3
• 1.2 Anisotropic Magnetoresistance 6
• 1.3 Spin Torque Ferromagnetic Resonance 8
• 2 Results and Discussion 11
• 2.1 ST-FiMR signal derivation 11
• 2.2 ST-FiMR near anticrossing gap 16
• 2.3 ST-FiMR near angular momentum compensation 18
• Conclusion 20
• Bibliography 21