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1.00×0.24 mm2 크기의 Ni80Fe20 박막의 자화 반전 거동을 자화 용이축으로 1 ns 이하의 펄스 자기장의 지속 시간과 세기를 변수로 인가하여 micromagnetics 시뮬레이션으로 관찰하였다. 자성 박막은 직사각형과 타원형의 모양을 가지며, 두께는 2 nm와 4 nm로 설정하였다. 실험 결과 Ni80Fe20 박막의 두께와 모양에 따라 각각 다른 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 박막의 두께에 따라 두께 방향으로 형성되는 반자장의 크기 차에 의해 edge domain에서 스핀의 회전속도와 스핀 스위칭의 거동에 차이가 생기며, 박막이 두꺼울수록 자화 반전에 더 긴 펄스 지속 시간과 강한 펄스 자기장이 필요하다는 것을 확인하였다. 한편, 자화 반전이 예상되는 영역에서 자화 반전이 일어나지 않는 비정상적인 자화 반전 영역을 발견할 수 있었는데, 박막의 모양이 타원일 때와 박막의 두께가 얇은 경우에 그 영역이 더욱 불규칙적이고, 넓게 분포하였다. 이러한 현상은 막의 두께가 매우 얇기 때문에 두께 방향으로 형성된 강한 반자장의 영향에 의해 나타나는 것으로 여겨진다. Edge domain이 더 많은 직사각형 모양의 경우 자화 반전이 일어나는 동안 자기모멘트의 세차 운동에 의해 생기는 Mz 성분, 즉 두께방향으로 형성된 반자장이 더 작고, 이에 따라 자화 반전이 예상되는 영역에서 자화 반전이 일어나지 않는 비정상적인 자화 반전 영역이 더 적어짐을 확인하였다. 본 시뮬레이션 결과는 자성박막의 안정된 고속 자화반전을 위해서는 반자장의 영향을 최소화하는 것이 중요하다는 것을 보여준다.
We simulated the magnetization reversal behavior of submicron-thickness magnetic films by applying pulses of sub-ns-long durations and amplitudes along the easy axis. The films were rectangular and elliptical Ni80Fe20, and their thickness was 2 nm and 4 nm. We observed different behaviors depending upon the shape and thickness of the films and found a normal non-switching in regions in which we expected complete switching after relaxation. In the elliptical film, the non-switching regions were found to be random and to be widely distributed throughout the switching map. The strong demagnetization field along the z-axis, the film thickness direction, is likely responsible for this abnormal behavior. In the rectangular film, the abnormal non-switching regions were less distributed than they were in the elliptical film due to edge domains resulting from the small Mz or demagnetization field during the switching. Our simulation confirms that large demagnetization is detrimental to the ultra-fast magnetization reversal of magnetic ultra-thin films.
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magnetization reversal, micromagnetics, damping switching, demagnetization field, ultra-thin magnetic film
