Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Understanding Field-Free Single-Shot Laser-Induced Reversal of Exchange Bias

Published 28 Aug 2024 in cond-mat.mes-hall | (2408.15672v2)

Abstract: Exchange bias is applied ubiquitously throughout the spintronics industry for pinning magnetic moment in an orientation robust against external magnetic field disturbances. Enabling efficient manipulation of the exchange-biased pinning direction is key to add or advance device functionality. Conventional methods for achieving this reorientation commonly require long heating times and assisting magnetic fields, thus limiting speed and versatility. Here, we demonstrate a field-free $180\circ$ reorientation of perpendicular exchange bias in a thin film system integrating Co/Gd layers with IrMn. Single femtosecond laser pulses trigger a reversal of the pinning direction, while preserving the unidirectionality required for referencing. We formulate a theoretical microscopic framework involving a wide range of timescales that accurately reproduces the experimental outcomes. The understanding of the underlying mechanisms delivers guiding principles for designing reprogrammable spintronic devices.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (60)
  1. A. Du, D. Zhu, K. Cao, Z. Zhang, Z. Guo, K. Shi, D. Xiong, R. Xiao, W. Cai, J. Yin, S. Lu, C. Zhang, Y. Zhang, S. Luo, A. Fert, and W. Zhao, “Electrical manipulation and detection of antiferromagnetism in magnetic tunnel junctions,” Nature Electronics 6, 425–433 (2023).
  2. B. Dieny, I. L. Prejbeanu, K. Garello, P. Gambardella, P. Freitas, R. Lehndorff, W. Raberg, U. Ebels, S. O. Demokritov, J. Akerman, A. Deac, P. Pirro, C. Adelmann, A. Anane, A. V. Chumak, A. Hirohata, S. Mangin, S. O. Valenzuela, M. C. Onbaşlı, M. D’Aquino, G. Prenat, G. Finocchio, L. Lopez-Diaz, R. Chantrell, O. Chubykalo-Fesenko, and P. Bortolotti, “Opportunities and challenges for spintronics in the microelectronics industry,” Nature Electronics 3, 446–459 (2020), arXiv:1908.10584 .
  3. C. Becker, B. Bao, D. D. Karnaushenko, V. K. Bandari, B. Rivkin, Z. Li, M. Faghih, D. Karnaushenko, and O. G. Schmidt, “A new dimension for magnetosensitive e-skins: active matrix integrated micro-origami sensor arrays,” Nature Communications 13 (2022), 10.1038/s41467-022-29802-7.
  4. C. Becker, D. Karnaushenko, T. Kang, D. D. Karnaushenko, M. Faghih, A. Mirhajivarzaneh, and O. G. Schmidt, “Self-assembly of highly sensitive 3D magnetic field vector angular encoders,” Science Advances 5 (2019), 10.1126/sciadv.aay7459.
  5. P. P. Freitas, R. Ferreira, and S. Cardoso, “Spintronic Sensors,” Proceedings of the IEEE 104, 1894–1918 (2016).
  6. W. H. Meiklejohn and C. P. Bean, “New Magnetic Anisotropy,” Physical Review 102, 1413–1414 (1956).
  7. J. Nogués and I. K. Schuller, “Exchange bias,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 192, 203–232 (1999).
  8. M. U. Hasan, A. E. Kossak, and G. S. D. Beach, “Large exchange bias enhancement and control of ferromagnetic energy landscape by solid-state hydrogen gating,” Nature Communications 14, 8510 (2023).
  9. O. Ueberschar, M. J. Almeida, P. Matthes, M. Muller, R. Ecke, R. Ruckriem, J. Schuster, H. Exner, and S. E. Schulz, “Optimized Monolithic 2-D Spin-Valve Sensor for High-Sensitivity Compass Applications,” IEEE Transactions on Magnetics 51, 1–4 (2015).
  10. K. Fujiwara, M. Oogane, A. Kanno, M. Imada, J. Jono, T. Terauchi, T. Okuno, Y. Aritomi, M. Morikawa, M. Tsuchida, N. Nakasato, and Y. Ando, “Magnetocardiography and magnetoencephalography measurements at room temperature using tunnel magneto-resistance sensors,” Applied Physics Express 11, 023001 (2018).
  11. S. Wang, W. Qin, T. Guan, J. Liu, Q. Cai, S. Zhang, L. Zhou, Y. Zhang, Y. Wu, and Z. Tao, “Flexible generation of structured terahertz fields via programmable exchange-biased spintronic emitters,” eLight 4, 11 (2024a), arXiv:2311.11499 .
  12. I. Berthold, U. Löschner, J. Schille, R. Ebert, and H. Exner, “Exchange Bias Realignment Using a Laser-based Direct-write Technique,” Physics Procedia 56, 1136–1142 (2014).
  13. M. Almeida, P. Matthes, O. Ueberschär, M. Müller, R. Ecke, H. Exner, M. Albrecht, and S. Schulz, “Optimum Laser Exposure for Setting Exchange Bias in Spin Valve Sensors,” Physics Procedia 75, 1192–1197 (2015).
  14. I. Radu, K. Vahaplar, C. Stamm, T. Kachel, N. Pontius, H. A. Dürr, T. A. Ostler, J. Barker, R. F. L. Evans, R. W. Chantrell, A. Tsukamoto, A. Itoh, A. Kirilyuk, T. Rasing, and A. V. Kimel, “Transient ferromagnetic-like state mediating ultrafast reversal of antiferromagnetically coupled spins,” Nature 472, 205–208 (2011).
  15. T. Ostler, J. Barker, R. Evans, R. Chantrell, U. Atxitia, O. Chubykalo-Fesenko, S. El Moussaoui, L. Le Guyader, E. Mengotti, L. Heyderman, F. Nolting, A. Tsukamoto, A. Itoh, D. Afanasiev, B. Ivanov, A. Kalashnikova, K. Vahaplar, J. Mentink, A. Kirilyuk, T. Rasing, and A. Kimel, “Ultrafast heating as a sufficient stimulus for magnetization reversal in a ferrimagnet,” Nature Communications 3, 666 (2012).
  16. M. L. M. Lalieu, M. J. G. Peeters, S. R. R. Haenen, R. Lavrijsen, and B. Koopmans, “Deterministic all-optical switching of synthetic ferrimagnets using single femtosecond laser pulses,” Physical Review B 96, 220411 (2017).
  17. J. Cao and P. P. Freitas, “Wheatstone bridge sensor composed of linear MgO magnetic tunnel junctions,” Journal of Applied Physics 107, 09E712 (2010).
  18. C. Papusoi, R. C. Sousa, B. Dieny, I. L. Prejbeanu, Y. Conraux, K. MacKay, and J. P. Nozìres, “Reversing exchange bias in thermally assisted magnetic random access memory cell by electric current heating pulses,” Journal of Applied Physics  (2008), 10.1063/1.2951931.
  19. W. Wang, Y. Chen, B. Wang, L. Wang, Y. Han, W. Su, Z. Hu, Z. Wang, and M. Liu, “Locally Reconfigurable Exchange Bias for Tunable Spintronics by Pulsed Current Injection,” physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters 18 (2024b), 10.1002/pssr.202300303.
  20. Y. Wang, T. Taniguchi, P. H. Lin, D. Zicchino, A. Nickl, J. Sahliger, C. H. Lai, C. Song, H. Wu, Q. Dai, and C. H. Back, “Time-resolved detection of spin-orbit torque switching of magnetization and exchange bias,” Nature Electronics 5, 840–848 (2022a).
  21. P.-H. Lin, B.-Y. Yang, M.-H. Tsai, P.-C. Chen, K.-F. Huang, H.-H. Lin, and C.-H. Lai, “Manipulating exchange bias by spin–orbit torque,” Nature Materials 18, 335–341 (2019).
  22. J. Yun, Q. Zhang, H. Xu, X. Guo, L. Xi, and K. Jin, “Field-free manipulation of exchange bias in perpendicularly magnetized Pt/Co/IrMn structures by spin-orbit torque,” Physical Review Materials 8, 064407 (2024).
  23. L. Guo, G. Shi, G. Wang, H. Su, H. Zhang, and X. Tang, “Asymmetric Manipulation of Perpendicular Exchange Bias and Programmable Spin Logical Cells by Spin–Orbit Torque in a Ferromagnet/Antiferromagnet System,” Advanced Science  (2024a), 10.1002/advs.202403648.
  24. R. Liu, Y. Zhang, Y. Yuan, Y. Lu, T. Liu, J. Chen, L. Wei, D. Wu, B. You, W. Zhang, and J. Du, “Manipulating exchange bias in Ir 25 Mn 75 /CoTb bilayer through spin–orbit torque,” Applied Physics Letters 122, 062401 (2023).
  25. W. Chen, Y. Lin, K. Zhang, Z. Cao, X. Zhao, Z. Zhou, X. Wang, S. Yan, H. Du, Q. Leng, and S. Yan, “Spin Orbit Torque Locally Controlling Exchange Bias to Realize High Detection Sensitivity of Two-dimensional Magnetic Field,” Fundamental Research  (2023), 10.1016/j.fmre.2023.07.010.
  26. J. Qi, Y. Zhao, Y. Zhang, G. Yang, H. Huang, H. Lyu, B. Shao, J. Zhang, J. Li, T. Zhu, G. Yu, H. Wei, S. Zhou, B. Shen, and S. Wang, “Full electrical manipulation of perpendicular exchange bias in ultrathin antiferromagnetic film with epitaxial strain,” Nature Communications 15, 4734 (2024a).
  27. W. Su, Z. Wang, Y. Chen, X. Zhao, C. Hu, T. Wen, Z. Hu, J. Wu, Z. Zhou, and M. Liu, “Reconfigurable Magnetoresistive Sensor Based on Magnetoelectric Coupling,” Advanced Electronic Materials 6 (2020), 10.1002/aelm.201901061.
  28. M. Wang, M. Li, Y. Lu, X. Xu, and Y. Jiang, “Electric field controlled perpendicular exchange bias in Ta/Pt/Co/IrMn/Pt heterostructure,” Applied Physics Letters 123 (2023), 10.1063/5.0160957.
  29. Z. Guo, J. Wang, G. Malinowski, B. Zhang, W. Zhang, H. Wang, C. Lyu, Y. Peng, P. Vallobra, Y. Xu, Y. Xu, S. Jenkins, R. W. Chantrell, R. F. L. Evans, S. Mangin, W. Zhao, and M. Hehn, “Single‐Shot Laser‐Induced Switching of an Exchange Biased Antiferromagnet,” Advanced Materials 36 (2024b), 10.1002/adma.202311643, arXiv:2302.04510 .
  30. M. Beens, M. L. M. Lalieu, A. J. M. Deenen, R. A. Duine, and B. Koopmans, “Comparing all-optical switching in synthetic-ferrimagnetic multilayers and alloys,” Physical Review B 100, 220409 (2019), arXiv:1908.07292 .
  31. L. Wang, H. Cheng, P. Li, Y. L. W. van Hees, Y. Liu, K. Cao, R. Lavrijsen, X. Lin, B. Koopmans, and W. Zhao, “Picosecond optospintronic tunnel junctions,” Proceedings of the National Academy of Sciences 119, 1–7 (2022b).
  32. P. Li, T. J. Kools, B. Koopmans, and R. Lavrijsen, “Ultrafast Racetrack Based on Compensated Co/Gd-Based Synthetic Ferrimagnet with All-Optical Switching,” Advanced Electronic Materials  (2023), 10.1002/aelm.202200613, arXiv:2204.11595 .
  33. X. Y. Yang, W. Li, J. Q. Yan, Y. J. Bian, Y. Y. Zhang, S. T. Lou, Z. Z. Zhang, X. L. Zhang, and Q. Y. Jin, “Magnetic damping in perpendicular [Pt/Co]3/MnIr multilayers,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 487 (2019), 10.1016/j.jmmm.2019.165286.
  34. S. Jenkins, R. W. Chantrell, T. J. Klemmer, and R. F. L. Evans, “Magnetic anisotropy of the noncollinear antiferromagnet IrMn3,” Physical Review B 100, 220405 (2019).
  35. S. Jenkins, W. J. Fan, R. Gaina, R. W. Chantrell, T. Klemmer, and R. F. L. Evans, “Atomistic origin of exchange anisotropy in noncollinear γ𝛾\gammaitalic_γ-IrMn3-CoFe bilayers,” Physical Review B 102, 140404 (2020).
  36. S. Jenkins, R. W. Chantrell, and R. F. Evans, “Atomistic simulations of the magnetic properties of IrxMn1-x alloys,” Physical Review Materials  (2021), 10.1103/PhysRevMaterials.5.034406.
  37. L. Szunyogh, L. Udvardi, J. Jackson, U. Nowak, and R. Chantrell, “Atomistic spin model based on a spin-cluster expansion technique: Application to the IrMn3/Co interface,” Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics  (2011), 10.1103/PhysRevB.83.024401, arXiv:1010.2375 .
  38. B. Koopmans, G. Malinowski, F. Dalla Longa, D. Steiauf, M. Fähnle, T. Roth, M. Cinchetti, and M. Aeschlimann, “Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization,” Nature Materials  (2010), 10.1038/nmat2593.
  39. R. Khamtawi, W. Daeng-am, P. Chureemart, R. W. Chantrell, and J. Chureemart, “Exchange bias model including setting process: Investigation of antiferromagnetic alignment fraction due to thermal activation,” Journal of Applied Physics 133, 023903 (2023).
  40. M. J. G. Peeters, Y. M. van Ballegooie, and B. Koopmans, “Influence of magnetic fields on ultrafast laser-induced switching dynamics in Co/Gd bilayers,” Physical Review B 105, 014429 (2022).
  41. A. Migliorini, B. Kuerbanjiang, T. Huminiuc, D. Kepaptsoglou, M. Muñoz, J. L. Cuñado, J. Camarero, C. Aroca, G. Vallejo-Fernández, V. K. Lazarov, and J. L. Prieto, “Spontaneous exchange bias formation driven by a structural phase transition in the antiferromagnetic material,” Nature Materials  (2018), 10.1038/NMAT5030.
  42. S. Zhao, P. Wang, W. Chen, L. Wang, Q. C. Wang, and W. Q. Chen, “Supply and demand conflicts of critical heavy rare earth element: Lessons from gadolinium,” Resources, Conservation and Recycling  (2023), 10.1016/j.resconrec.2023.107254.
  43. T. J. Kools, Y. L. van Hees, K. Poissonnier, P. Li, B. Barcones Campo, M. A. Verheijen, B. Koopmans, and R. Lavrijsen, “Aging and passivation of magnetic properties in Co/Gd bilayers,” Applied Physics Letters  (2023), 10.1063/5.0160135, arXiv:2305.18984 .
  44. C. Banerjee, N. Teichert, K. E. Siewierska, Z. Gercsi, G. Y. Atcheson, P. Stamenov, K. Rode, J. M. Coey, and J. Besbas, “Single pulse all-optical toggle switching of magnetization without gadolinium in the ferrimagnet Mn2RuxGa,” Nature Communications  (2020), 10.1038/s41467-020-18340-9.
  45. P. Qin, H. Yan, X. Wang, H. Chen, Z. Meng, J. Dong, M. Zhu, J. Cai, Z. Feng, X. Zhou, L. Liu, T. Zhang, Z. Zeng, J. Zhang, C. Jiang, and Z. Liu, “Room-temperature magnetoresistance in an all-antiferromagnetic tunnel junction,” Nature 613, 485–489 (2023).
  46. W. Qi, H. Zhang, L. Chen, A. Du, D. Zheng, Y. Xiao, D. Tian, F. Hu, B. Shen, J. Sun, and W. Zhao, “Antiferromagnetic Spintronics in Magnetic Memory Devices,” IEEE Transactions on Materials for Electron Devices 1, 23–35 (2024b).
  47. T. Adamantopoulos, M. Merte, F. Freimuth, D. Go, L. Zhang, M. Ležaić, W. Feng, Y. Yao, J. Sinova, L. Šmejkal, S. Blügel, and Y. Mokrousov, “Spin and orbital magnetism by light in rutile altermagnets,” npj Spintronics 2, 46 (2024), arXiv:2403.10235 .
  48. A. Kimel, T. Rasing, and B. Ivanov, “Optical read-out and control of antiferromagnetic Néel vector in altermagnets and beyond,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 598, 172039 (2024).
  49. J. X. Lin, M. Hehn, T. Hauet, Y. Peng, J. Igarashi, Y. Le Guen, Q. Remy, J. Gorchon, G. Malinowski, S. Mangin, and J. Hohlfeld, “Single laser pulse induced magnetization switching in in-plane magnetized GdCo alloys,” Physical Review B  (2023), 10.1103/PhysRevB.108.L220403.
  50. S. Vorobiov, I. Lytvynenko, T. Hauet, M. Hehn, D. Derecha, and A. Chornous, “The effect of annealing on magnetic properties of Co/Gd multilayers,” Vacuum 120, 9–12 (2015).
  51. D. Ourdani, Y. Roussigné, S. M. Chérif, M. S. Gabor, and M. Belmeguenai, “Dependence of the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction, perpendicular magnetic anisotropy, and damping in Co-based systems on the thickness of Pt and Ir layers,” Physical Review B 104, 104421 (2021).
  52. M. Ali, C. H. Marrows, and B. J. Hickey, “Controlled enhancement or suppression of exchange biasing using impurity δ𝛿\deltaitalic_δ layers,” Physical Review B 77, 134401 (2008).
  53. J. Sort, V. Baltz, F. Garcia, B. Rodmacq, and B. Dieny, “Tailoring perpendicular exchange bias in [Pt/Co]-IrMn multilayers,” Physical Review B 71, 054411 (2005).
  54. R. Zhang and R. F. Willis, “Thickness-Dependent Curie Temperatures of Ultrathin Magnetic Films: Effect of the Range of Spin-Spin Interactions,” Physical Review Letters 86, 2665–2668 (2001).
  55. J. M. D. Coey, Magnetism and Magnetic Materials (Cambridge University Press, 2001).
  56. F. Dalla Longa, J. T. Kohlhepp, W. J. De Jonge, and B. Koopmans, “Influence of photon angular momentum on ultrafast demagnetization in nickel,” Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics  (2007), 10.1103/PhysRevB.75.224431.
  57. S. Gerlach, L. Oroszlany, D. Hinzke, S. Sievering, S. Wienholdt, L. Szunyogh, and U. Nowak, “Modeling ultrafast all-optical switching in synthetic ferrimagnets,” Physical Review B  (2017), 10.1103/PhysRevB.95.224435, arXiv:1703.05220 .
  58. U. Bovensiepen, “Coherent and incoherent excitations of the Gd(0001) surface on ultrafast timescales,” Journal of Physics Condensed Matter  (2007), 10.1088/0953-8984/19/8/083201.
  59. L. A. A. Pettersson, L. S. Roman, and O. Inganäs, “Modeling photocurrent action spectra of photovoltaic devices based on organic thin films,” Journal of Applied Physics 86, 487–496 (1999).
  60. X. Y. Lang, W. T. Zheng, and Q. Jiang, “Dependence of the blocking temperature in exchange biased ferromagnetic/antiferromagnetic bilayers on the thickness of the antiferromagnetic layer,” Nanotechnology 18, 155701 (2007).

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 0 likes about this paper.

Sign Up for Free