We present recent experimental and numerical advancements in the understanding of spin transfer torque generated magnetic droplet solitons. The experimental work focuses on nano-contact spin torque oscillators (NC-STOs) based on orthogonal (pseudo) spin valves where the Co fixed layer has an easy-plane anisotropy, and the [Co/Ni] free layer has a strong perpendicular magnetic anisotropy. The NC-STO resistance and microwave signal generation are measured simultaneously as a function of drive current and applied perpendicular magnetic field. Both exhibit dramatic transitions at a certain current dependent critical field value, where the microwave frequency drops 10 GHz, modulation sidebands appear, and the resistance exhibits a jump, while the magnetoresistance changes sign. We interpret these observations as the nucleation of a magnetic droplet soliton with a large fraction of its magnetization processing with an angle greater than 90°, i.e., around a direction opposite that of the applied field. This interpretation is corroborated by numerical simulations. When the field is further increased, we find that the droplet eventually collapses under the pressure from the Zeeman energy.

1.
2.
J.
Slonczewski
,
J. Magn. Magn. Mater.
159
,
L1
(
1996
).
3.
D.
Ralph
and
M.
Stiles
,
J. Magn. Magn. Mater.
320
,
1190
(
2008
).
4.
J. C.
Slonczewski
,
J. Magn. Magn. Mater.
195
,
L261
(
1999
).
5.
T.
Silva
and
W.
Rippard
,
J. Magn. Magn. Mater.
320
,
1260
(
2008
).
6.
A.
Slavin
and
V.
Tiberkevich
,
IEEE Trans. Magn.
45
,
1875
(
2009
).
8.
S. I.
Kiselev
,
J. C.
Sankey
,
I. N.
Krivorotov
,
N. C.
Emley
,
R. J.
Schoelkopf
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Nature
425
,
380
(
2003
).
9.
M.
Tsoi
,
A. G. M.
Jansen
,
J.
Bass
,
W.-C.
Chiang
,
M.
Seck
,
V.
Tsoi
, and
P.
Wyder
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
4281
(
1998
);
M.
Tsoi
,
A. G. M.
Jansen
,
J.
Bass
,
W.-C.
Chiang
,
M.
Seck
,
V.
Tsoi
, and
P.
Wyder
,
Nature
406
,
46
(
2000
).
[PubMed]
10.
A. V.
Nazarov
,
K.
Nikolaev
,
Z.
Gao
,
H.
Cho
, and
D.
Song
,
J. Appl. Phys.
103
,
07A503
(
2008
).
11.
A. M.
Deac
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
H.
Maehara
,
Y.
Suzuki
,
S.
Yuasa
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
, and
N.
Watanabe
,
Nat. Phys.
4
,
803
(
2008
).
12.
D.
Houssameddine
,
S. H.
Florez
,
J. A.
Katine
,
J.-P.
Michel
,
U.
Ebels
,
D.
Mauri
,
O.
Ozatay
,
B.
Delaet
,
B.
Viala
,
L.
Folks
,
B. D.
Terris
, and
M.-C.
Cyrille
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
022505
(
2008
).
13.
S. R.
Sani
,
P.
Dürrenfeld
,
S. M.
Mohseni
,
S.
Chung
, and
J.
Åkerman
,
IEEE Trans. Magn.
49
,
4331
(
2013
).
14.
W. H.
Rippard
,
M. R.
Pufall
,
S.
Kaka
,
T. J.
Silva
, and
S. E.
Russek
,
Phys. Rev. B
70
,
100406
R
(
2004
).
15.
S.
Bonetti
,
P.
Muduli
,
F.
Mancoff
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
102507
(
2009
).
16.
M. R.
Pufall
,
W. H.
Rippard
,
S.
Kaka
,
T. J.
Silva
, and
S. E.
Russek
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
082506
(
2005
).
17.
P. K.
Muduli
,
Y.
Pogoryelov
,
S.
Bonetti
,
G.
Consolo
,
F.
Mancoff
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. B
81
,
140408
R
(
2010
).
18.
G.
Consolo
,
V.
Puliafito
,
G.
Finocchio
,
L.
Lopez Diaz
,
R.
Zivieri
,
L.
Giovannini
,
F.
Nizzoli
,
G.
Valenti
, and
B.
Azzerboni
,
IEEE Trans. Magn.
46
,
3629
(
2010
).
19.
P. K.
Muduli
,
Y.
Pogoryelov
,
F.
Mancoff
, and
J.
Åkerman
,
IEEE Trans. Magn.
47
,
1575
(
2011
).
20.
P. K.
Muduli
,
Y.
Pogoryelov
,
Y.
Zhou
,
F.
Mancoff
, and
J.
Åkerman
,
Integr. Ferroelectr.
125
,
147
(
2011
).
21.
Y.
Pogoryelov
,
P. K.
Muduli
,
S.
Bonetti
,
E.
Iacocca
,
F.
Mancoff
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
192501
(
2011
).
22.
Y.
Pogoryelov
,
P. K.
Muduli
,
S.
Bonetti
,
F.
Mancoff
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
192506
(
2011
).
23.
E.
Iacocca
and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. B
85
,
184420
(
2012
).
24.
Ye.
Pogoryelov
,
P. K.
Muduli
, and
J.
Åkerman
,
IEEE Trans. Magn.
48
,
4077
(
2012
).
25.
P.
Villard
,
U.
Ebels
,
D.
Houssameddine
,
J.
Katine
,
D.
Mauri
,
B.
Delaet
,
P.
Vincent
,
M.-C.
Cyrille
,
B.
Viala
,
J.-P.
Michel
,
J.
Prouvee
, and
F.
Badets
,
IEEE J. Solid-State Circuits
45
,
214
(
2010
).
26.
J.
Persson
,
S. R.
Sani
,
S.
Bonetti
,
F.
Magnusson
,
Ye.
Pogoryelov
,
S. M.
Mohseni
,
S.
Gunnarsson
,
M.
Norling
,
C.
Stoij
, and
J.
Åkerman
,
IEEE Trans. Magn.
48
,
4378
(
2012
).
27.
A.
Helmer
,
S.
Cornelissen
,
T.
Devolder
,
J.-V.
Kim
,
W.
van Roy
,
L.
Lagae
, and
C.
Chappert
,
Phys. Rev. B
81
,
094416
(
2010
).
28.
P. K.
Muduli
,
O. H.
Heinonen
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. B
83
,
184410
(
2011
).
29.
P. K.
Muduli
,
O. G.
Heinonen
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
207203
(
2012
).
30.
F. B.
Mancoff
,
N. D.
Rizzo
,
B. N.
Engel
, and
S.
Tehrani
,
Nature
437
,
393
(
2005
).
31.
S.
Kaka
,
M. R.
Pufall
,
W. H.
Rippard
,
T. J.
Silva
,
S. E.
Russek
, and
J. A.
Katine
,
Nature
437
,
389
(
2005
).
32.
S. R.
Sani
,
J.
Persson
,
M. S.
Mohseni
,
Ye.
Pogoryelov
,
P. K.
Muduli
,
A.
Eklund
,
G.
Malm
,
M.
Käll
,
A.
Dmitriev
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Commun.
4
,
2731
(
2014
).
33.
T.
Devolder
,
A.
Meftah
,
K.
Ito
,
J. A.
Katine
,
P.
Crozat
, and
C.
Chappert
,
J. Appl. Phys.
101
,
063916
(
2007
).
34.
D.
Houssameddine
,
U.
Ebels
,
B.
Delaët
,
B.
Rodmacq
,
I.
Firastrau
,
F.
Ponthenier
,
M.
Brunet
,
C.
Thirion
,
J.-P.
Michel
,
L.
Prejbeanu-Buda
,
M.-C.
Cyrille
,
O.
Redon
, and
B.
Dieny
,
Nature Mater.
6
,
447
(
2007
).
35.
V. S.
Pribiag
,
I. N.
Krivorotov
,
G. D.
Fuchs
,
P. M.
Braganca
,
O.
Ozatay
,
J. C.
Sankey
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Nat. Phys.
3
,
498
(
2007
).
36.
W. H.
Rippard
,
A. M.
Deac
,
M. R.
Pufall
,
J. M.
Shaw
,
M. W.
Keller
,
S. E.
Russek
, and
C.
Serpico
,
Phys. Rev. B
81
,
014426
(
2010
).
37.
S. M.
Mohseni
,
S. R.
Sani
,
J.
Persson
,
T. N.
Anh Nguyen
,
S.
Chung
,
Ye.
Pogoryelov
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Status Solidi - Rapid Res. Lett.
5
,
432
434
(
2011
).
38.
Y.
Zhou
,
C. L.
Zha
,
S.
Bonetti
,
J.
Persson
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
262508
(
2008
).
39.
Y.
Zhou
,
S.
Bonetti
,
C. L.
Zha
, and
J.
Åkerman
,
New J. Phys.
11
,
103028
(
2009
).
40.
C. L.
Zha
,
J.
Persson
,
S.
Bonetti
,
Y.
Fang
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
163108
(
2009
).
41.
T. N.
Anh Nguyen
,
Y.
Fang
,
V.
Fallahi
,
N.
Benatmane
,
S. M.
Mohseni
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
172502
(
2011
).
42.
T. N.
Anh Nguyen
,
N.
Benatmane
,
V.
Fallahi
,
Y.
Fang
,
S. M.
Mohseni
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
J. Magn. Magn. Mater.
324
,
3929
(
2012
).
43.
S.
Chung
,
S. M.
Mohseni
,
V.
Fallahi
,
T. N.
Anh Nguyen
,
N.
Benatmane
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
46
,
125004
(
2013
).
44.
S.
Tacchi
,
T. N.
Anh Nguyen
,
G.
Carlotti
,
G.
Gubbiotti
,
M.
Madami
,
R. K.
Dumas
,
J. W.
Lau
,
J.
Åkerman
,
A.
Rettori
, and
M. G.
Pini
,
Phys. Rev. B
87
,
144426
(
2013
).
45.
S.
Kasai
,
Y.
Nakatani
,
K.
Kobayashi
,
H.
Kohno
, and
T.
Ono
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
107204
(
2006
).
46.
A.
Slavin
and
V.
Tiberkevich
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
237201
(
2005
).
47.
W. H.
Rippard
,
M. R.
Pufall
, and
T. J.
Silva
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
1260
(
2003
).
48.
G.
Consolo
,
B.
Azzerboni
,
G.
Gerhart
,
G. A.
Melkov
,
V.
Tiberkevich
, and
A. N.
Slavin
,
Phys. Rev. B
76
,
144410
(
2007
).
49.
D. V.
Berkov
and
N. L.
Gorn
,
Phys. Rev. B
76
,
144414
(
2007
).
50.
G.
Consolo
,
B.
Azzerboni
,
L.
Lopez-Diaz
,
G.
Gerhart
,
E.
Bankowski
,
V.
Tiberkevich
, and
A. N.
Slavin
,
Phys. Rev. B
78
,
014420
(
2008
).
51.
D.
Berkov
and
J.
Miltat
,
J. Magn. Magn. Mater.
320
,
1238
(
2008
).
52.
S.
Bonetti
,
V.
Tiberkevich
,
G.
Consolo
,
G.
Finocchio
,
P.
Muduli
,
F.
Mancoff
,
A.
Slavin
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
217204
(
2010
).
53.
S.
Bonetti
,
V.
Puliafito
,
G.
Consolo
,
V. S.
Tiberkevich
,
A. N.
Slavin
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. B
85
,
174427
(
2012
).
54.
R. K.
Dumas
,
E.
Iacocca
,
S.
Bonetti
,
S. R.
Sani
,
S. M.
Mohseni
,
A.
Eklund
,
J.
Persson
,
O.
Heinonen
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
257202
(
2013
).
55.
M.
Madami
,
S.
Bonetti
,
G.
Consolo
,
S.
Tacchi
,
G.
Carlotti
,
G.
Gubbiotti
,
F. B.
Mancoff
,
M. A.
Yar
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
635
(
2011
).
56.
H.
Ulrichs
,
V. E.
Demidov
,
S. O.
Demokritov
, and
S.
Urazhdin
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
162406
(
2012
).
57.
M. A.
Hoefer
,
T. J.
Silva
, and
M. D.
Stiles
,
Phys. Rev. B
77
,
144401
(
2008
).
58.
M.
Pufall
,
W.
Rippard
,
M.
Schneider
, and
S.
Russek
,
Phys. Rev. B
75
,
140404
(
2007
).
59.
Q.
Mistral
,
M.
van Kampen
,
G.
Hrkac
,
J.-V.
Kim
,
T.
Devolder
,
P.
Crozat
,
C.
Chappert
,
L.
Lagae
, and
T.
Schrefl
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
257201
(
2008
).
60.
D. V.
Berkov
and
N. L.
Gorn
,
Phys. Rev. B
80
,
064409
(
2009
).
61.
B. A.
Ivanov
and
A. M.
Kosevich
,
Zh. Eksp. Teor. Fiz.
72
,
2000
(
1977
)
B. A.
Ivanov
and
A. M.
Kosevich
, [
Sov. Phys. JETP
45
,
1050
(
1977
)].
62.
A. M.
Kosevich
,
B. A.
Ivanov
, and
A. S.
Kovalev
,
Phys. Rep.
194
,
117
(
1990
).
63.
T.
Holstein
and
H.
Primakoff
,
Phys. Rev.
58
,
1098
(
1940
).
64.
M.
Hoefer
,
T.
Silva
, and
M.
Keller
,
Phys. Rev. B
82
,
054432
(
2010
).
65.
M.
Hoefer
,
M.
Sommacal
, and
T.
Silva
,
Phys. Rev. B
85
,
214433
(
2012
).
66.
S. M.
Mohseni
,
S. R.
Sani
,
J.
Persson
,
T. N. A.
Nguyen
,
S.
Chung
,
Y.
Pogoryelov
,
P. K.
Muduli
,
E.
Iacocca
,
A.
Eklund
,
R. K.
Dumas
,
S.
Bonetti
,
A.
Deac
,
M. A.
Hoefer
, and
J.
Åkerman
,
Science
339
,
1295
(
2013
).
67.
S. M.
Mohseni
,
S. R.
Sani
,
R. K.
Dumas
,
J.
Persson
,
T. N.
Anh Nguyen
,
S.
Chung
,
Ye.
Pogoryelov
,
P. K.
Muduli
,
E.
Iacocca
,
A.
Eklund
, and
J.
Åkerman
,
Phys. B Condens. Matter
435
,
84
(
2014
).
You do not currently have access to this content.