The stochastic dynamics in disordered system remains an extremely challenging problem which of considerable fundamental and technological importance. Many disordered system have been studied encompassing a wide arrange of physics ranging from crackling noise, charge-density waves earthquakes, microfracture, electrical transport in nanocrystal arrays, to magnetic domain wall (DW) motion. Recently, the interests on stochastic DW dynamics in ferromagnetic materials are growing because stochastic nature of DW motion is a major challenge for realization of reliable spintronic memory and logic devices. How-ever, the underlying mechanism in this phenomenon is not clearly understood yet. In this study, we have investigated the stochastic nature of DW dynamics in ferromagnetic films using a magneto-optical microscope magnetometer (MOMM), capable of direct domain observation.
We have studies the Barkhausen critical scaling behavior in NixFe1-x films (x=0~0.5) with varying Ni-Fe composition using the MOMM system. The domain reversal patterns of the films show that magnetization reversal occurs via a sequence of random Barkhausen jumps. From more than 1000-times repetitive measurements, it was found that the distribu-tions of Barkhausen jump sizes follow a power-law distribution. Interestingly, the critical exponent of the power-law distribution was found to have the same value of 1.1, inde-pendent of film composition, revealing a universal critical scaling behavior in these alloy films.
We also have investigated the Barkhausen scaling behavior with increasing DW pinning in exchange-coupled NiO/Fe films. To systematically control density of DW pinning site, we use the phenomenon of exchange-coupling between antiferromagnetic (AF) and ferro-magnetic (F) layers. It is generally understood that the strength of the exchange-coupling can be changed by varying, for example, the thickness of the AF layer, or by modifying the detailed microstructure of the AF layer (e.g. grain size). Here, we varied AF layer thickness to control DW pinning density. The time-resolved domain images in the films revealed that the Barkhausen jump size is generally decreased with increasing NiO thick-ness, showing an enhanced DW pinning effect. Surprisingly, the power-law scaling behav-ior of Barkhausen jump size distribution gradually disappears as pinning of DWs in the Fe layer is increased. This is ascribed to the fact that the magnetization reversal mechanism is changed from a random Barkhausen avalanche dominant mode to a DW creep dominant mode.
The stochasticity of DW dynamics dependent on pinning density was also studied in Fe films. The domain images in the films reveal that the density of DW pinning sites increases with increasing Fe thickness. However, the stochasticity of magnetization half-reversal time decreases with increasing DW pinning. The major reason for the reduced stochasticity is shown to be due to a thermally activated DW creep mechanism that becomes dominant during magnetization reversal due to increased DW pinning.
Additionally, we have investigated the stochastic nature of magnetization reversal dy-namics in exchange-biased IrMn/CoFe films. Interestingly, the statistical distribution of magnetization half-reversal times for both forward and backward applied fields show that magnetization reversal dynamics is much more stochastic for the backward branch, where an applied field is parallel to the exchange-bias field direction. The enhanced stochasticity is ascribed to the large degree of magnetic disorder during backward branch reversal which induces pinning and depinning of DWs during magnetization reversal, whereas the forward branch reversal is dominated by a thermally activated depinning process caused by a single potential barrier. We believe that asymmetry of magnetic disorder is due to the local fluctuation of exchange-bias field and coercive field in the films.
최근 2차원 강자성 박막에서 자구역전 동역학의 무작위적 거동에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다. 이러한 무작위적 자구동역학은 신뢰성있는 스핀트로닉스 소자를 구현하는데 있어서 극복해야 할 장해물로 여겨지고 있기 때문에 학문적인 관심뿐만 아니라 응용적인 측면에서도 매우 중요한 문제로 관심을 받고 있다. 특히, 본 논문에서는 2차원 강자성 박막에서 무작위적인 자구벽 운동의 대표적인 예인 박하우젠 임계축척현상 및 열적 활성화에 의한 자구벽 기어가기 메커니즘에대해 주로 연구하였다. 이를 위해 자구이미지를 실시간으로 직접 관찰할 수 잇는 광자기 현미경을 사용하였다.
먼저, NixFe1-x (x=0~0.5) 합금 박막에서 박하우젠 현상을 연구하였다. 자구역전 이미지를 관찰한 결과 모든 시료에서 자구역전이 무작위적이고 불연속적인 박하우젠 점프에 의해 이루어짐을 확인하였다. 1,000번 이상의 반복측정을 통해 박하우젠 점프크기의 통계적인 분포를 구하였고, 그 분포가 거듭제곱법칙을 따름을 알 수 있었다. 흥미롭게도, 거듭제곱법칙의 임계지수의 값이 시료의 조성에 상관없이 1.1의 일정한 값을 보이는 것이 관측되었고, 이를 통해 박하우젠 임계축척현상이 모든 NiFe 시료에서 보편성을 보임을 확인하였다.
또한, 교환결합된 NiO/Fe 시료에서 자구벽 피닝을 증가시키면서 박하우젠 임계축척현상을 연구하였다. 자구역전 이미지로부터 NiO 두께가 증가할수록 자구벽 피닝의 정도가 점차 증가함을 확인하였다. 놀랍게도, 자구벽 피닝이 증가함에 따라 박하우젠 임계축척현상이 점차 사라지는 모습을 보였다. 이는 자구벽 피닝이 증가함에 따라 자구벽 기어가기 메커니즘이 점차 주된 역할을 하기 때문인 것으로 생각된다.
다음으로, Fe 시료에서 자구벽 피닝의 증가에 따른 자구역전과정의 무작위성 정도를 연구하였다. 자구역전 이미지로부터Fe 두께가 증가함에 따라 자구벽 피닝이 점차 증가함을 확인하였다. 자구역전 과정의 무작위적인 정도를 측정한 결과 자구벽 피닝이 증가함에 따라 무작위성이 점차 감소한다는 것이 관측되었다. 이는 피닝이 증가하면서 기어가기 메커니즘이 점차 주된 역할을 하기 때문으로 생각된다.
마지막으로, 교환바이어스를 보이는 IrMn/CoFe 시료에서 자구역전 과정의 무작위성이 비대칭성을 보임을 보고하였다. 교환바이어스를 보이는 시료에서 양쪽 branch에서의 자구역전을 반복 측정한 결과 backward branch에서의 자구역전이 forward branch에서의 자구역전에 비해 훨씬 무작위적인 모습을 보이는 것이 관측되었다. 이는 backward branch에서 magnetic disorder가 훨씬 크기 때문이다. 양쪽 branch에서 magnetic disorder가 비대칭성을 보이는 이유는 반강자성 시료내의 불순물 및 표면 거칠기 때문에 교환바이어스 자기장과 보자력이 시료내에서 국소적으로 서로 다르기 때문으로 생각된다.
