Меньше не значит хуже: скирмионы и доменные стенки в феррИмагнетиках

Вы наверняка не раз слышали как кто-то где-то сделал самый большой торт в мире или самую большую пиццу или самый большой бургер. Эти рекорды забавные, порой очень смешные, а в случае вышеперечисленных вариантов еще и вкусные. Но они не несут пользы. Ученый мир тоже любит ставить рекорды в размерах чего-то, но последнее время диаметрально противоположные. Исследователи со всего мира стараются использовать самые малые объекты на благо человечества и технологий. Сегодня мы поговорим о перспективе использования доменных стенок и скирмионов внутри ферримагнита для хранения и передачи информации. Сказать, что эти «носители» малы, значит сильно преувеличить. Что и как работает, какие перспективы у сего исследования и почему именно ферримагниты? Ответы будем искать в докладе исследовательской группы. Поехали.

Теоретическая основа исследования

Прежде всего стоит отметить, что большинство исследований, в основе которых так или иначе лежит магнетизм и его аспекты, по большей степени используют ферромагнит, а не ферримагнит. Одна буковка в слове меняет на самом деле не только название, а всю суть.

Ферромагнит это то, что мы с вами наблюдаем чаще всего. Если у вас на холодильнике висит магнитик с прошлого отпуска, знайте, висит он там за счет именно ферромагнетизма. Ферромагнетик это вещество, которое обладает намагниченностью без применения внешнего магнитного поля и при температуре ниже точки Кюри. Если же говорить про комнатную температуру, то ферромагнитными свойствами обладает 4 вещества: никель (Ni), железо (Fe), кобальт (Co) и рутений (Ru).


Неодимовые магниты (редкоземельный элемент неодим + железо + бор) против смартфона. Людям с номофобией просьба не смотреть.

Стоит нам поменять буковку «о» на «и», как мы получим совершенно новый тип веществ. Ферримагнетики в чем-то похожи на своих братьев ферромагнетиков, по крайне мере и к тем, и к другим применимы все магнитные характеристики, а также и те, и другие «работают» при температуре ниже точки Кюри. Самым важным отличием является факт того, что у ферримагнетиков магнитные моменты атомов подрешеток антипараллельны. Почему так? По сути ферримагнетики это коктейль из нескольких химических элементов, а не одного, как у ферромагнетиков. За счет этого они состоят из нескольких подрешеток, структура которых отличается либо числом атомов, либо их происхождением (разные хим. элементы). Главными среди обладателей ферримагнитных черт являются ферриты, в основе которых лежит оксид железа (Fe₂O₃).


Сравнение направленности магнитных моментов ферромагнетика (а) и ферримагнетика (b).

А теперь заглянем еще глубже и попытаемся понять что такое эти доменные стенки.

Итак, доменная стенка это практически буквально стена между двумя магнитными доменами, своего рода черта или приграничный пункт. Продолжая последнюю аналогию, эти магнитные домены как Северная и Южная Корея, то есть противоположны друг другу. Точнее сказать, они обладают разными направлениями намагниченности.


Магнитные домены: черные и белые участки отличаются направленностью векторов своих магнитных моментов.

Домен же, если не углубляться, это часть магнитного кристалла, микроскопическая область, в которой векторы намагниченности строго упорядочены относительно векторов в соседней области.

Дабы не повторятся очередной раз, пояснение что такое магнитный скирмион вы можете найти в одной из предыдущих статей. Лишь вкратце скажу, что это своего рода воронки атомных спинов, которые названы в честь физика Тони Скирме.


Изображение а — скирмион «еж», b — спиралевидный скирмион.

С теорией мы немного разобрались, теперь давайте посмотрим что из всего этого слепили наши сегодняшние герои.

Суть исследования

Выше мы с вами рассматривали ферромагнетики и ферримагнетики, а также их отличия не просто так. Исследователи считают, что хоть ферромагнетики и обладают удивительно полезными характеристиками и свойствами, они все же ограничены в скорости и размере, точнее сказать с их помощью можно передать данные медленнее, а каждый бит будет «крупнее», чем если использовать ферримагнетики. Звучит очень перспективно, но требует доказательств. Чем ученые и занялись в данном исследовании.

Вещественной базой эксперимента стало соединение Pt/Gd₄₄Co₅₆/TaOx, точнее тонкая пленка из него.


Изображение №1

Для начала следователи решили изучить статику и динамику спиновой структуры Gd₄₄Co₅₆ (изображение 1а), который является аморфным ферримагнитным сплавом. Антиферромагнитно связанные под-решетки этого сплава обладают схожим g-фактором, посему TA (температура компенсации углового момента) очень близка к TM (температуре компенсации намагниченности).

Как мы уже знаем, главным действующим лицом опытов был Pt/Gd₄₄Co₅₆/TaOx. Толщина пленки каждого компонента была следующей: Ta — 1 нм; Pt — 6 нм; Gd₄₄Co₅₆ — 6 нм; TaOx — 3 нм. Все пленки были перпендикулярно намагничены и методом напыления нанесены на подложку из Si/SiO₂.

Нижний слой (Pt) являлся основным источником спин-орбитальных вихрей (далее СОВ) и постоянно генерировал сильное взаимодействие Дзялошинского-Мория (далее ВДМ), которое отвечает за слабые проявления ферромагнетизма в антиферромагнитных диэлектриках. Верхний же слой (TaOx) является защитным.

На графике 1b в виде функции зависимости от температуры изображены два показателя: коэрцитивная сила (квадраты), необходимая для полного размагничивания ферримагнетика (или ферромагнетика) и магнитное насыщение (круги). Первый показатель был получен посредством метода вибрационной магнитометрии, а второй — метода поляриметрии магнитооптического эффекта Керра.

Благодаря полученным данным (1с и 1d) было установлено, что TM равна примерно 240 K (кельвин), поскольку наблюдается гистерезис магнитооптического эффекта Керра.

Посредством широкопольной керр-микроскопии были проведены исследования движения доменной стенки. На 1е показано несколько снимков, когда наносекундные импульсы тока были применены на доменной стенке, заставив ее двигаться вдоль заданного маршрута.

Каждая из стенок, вверх-вниз и вниз-вверх (направление векторов намагниченности), продвигались по пути тока, где также присутствовали доменные стенки Нееля*, управляемые спин-орбитальными вихрями.


Сравнение стенки Нееля (а) и стенки Блоха (b).

Стенка Нееля* — поворот намагниченности в данном типе стенок происходит перпендикулярно ней, а не в ее плоскости.

График 1f представляет собой соотношение скорости доменной стенки (vDW) и температуры (Т). Значительный пик наблюдается именно при 260 К, что выше установленной ранее TM.

Стоит отметить, что расхождения между полями СОВ и ВДМ не являются основной причиной увеличения скорости доменной стенки.


Изображение №2а

На графике 2а показан анализ влияния поля и тока на скорость доменной стенки посредством диаграммы ползучести. И мы видим, что в обеих вариантах результат идентичен.

Скирмионы ферримагнетиков

Стоит отметить, что ферримагниты могут иметь куда более малые скирмионы, чем ферромагниты, что связано с их слабым полем размагничивания. При этом данные скирмионы существуют при комнатных температурах. Ранее размеры подобных скирмионов были в диапазоне 30 нм — 2 мкм при криогенных температурах. Большие размеры скирмионов объясняются сильным дипольным взаимодействием в многослойных структурах, состоящие как правило из тяжелых металлов и ферромагнетиков.


Сравнение скирмионов.

На изображении а показан случай, описанный выше (ферромагнитная многослойная структура), в котором есть прямая зависимость энергии скирмиона (Е) от его радиуса ®. В случае ферримагнетиков можно сделать слой значительно тоньше, при этом не будет нужды увеличивать силу поля размагничивания (изображение b). Также исследователями было рассчитано с применением ЯМР в нулевом поле* соотношение размеров скирмиона и состояния ВДМ (график с).

ЯМР в нулевом поле* — Ядерный магнитный резонанс в нулевом поле, который применяется для анализа магнитоупорядоченных веществ, точнее для определения изменений их кристаллической или магнитной структур.

Анализ показал, что поле размагничивания может дестабилизировать ВДМ скирмион, когда показатели реальной температуры очень далеки от установленного ранее уровня температуры компенсации намагниченности (ТМ). При этом ВДМ скирмионы могут продолжительное время оставаться стабильными при магнитном насыщении (Ms) порядка 150 кА/м^–1. А это соответствует куда более высоким (примерно на 100 К выше ТМ) температурам, чем в многослойных ферромагнетиках.


Запечатленные скирмионы.

Эти выводы являются результатом расчетов и моделирования, но они были полностью подтверждены с помощью рентгеновской голографии при комнатной температуре образца Pt/Gd₄₄Co₅₆/TaOx.


Снимки рентгеновской голографии Pt/Gd₄₄Co₅₆/TaOx.

Как видно из снимков, было обнаружено довольно много скирмионов в различных участках образца. Также ученые отмечают, что не было обнаружено никаких признаков корреляции между положением скирмионов до насыщения и ре-нуклеации. Например, на снимке 5d цветные квадраты отмечают места, где нет скирмионов, но они там были ранее (снимки 5а и 5b). При этом все скирмионы исчезают, когда сила магнитного поля достигает 450 мТл (миллитесла).

Размер скирмионов в среднем составил 23 нм (5g). Самый же малый скирмион был примерно 10 нм в диаметре. Именно это важно, поскольку такой размер значительно меньше того, что наблюдается у скирмионов в ферромагнетиках при комнатной температуре. Неоднородность размеров скирмионов ученые объясняют анизотропией структуры образца, то есть наличием различий свойств внутри единой структуры.

Стоит также учесть факт того, что размер скирмионов на снимках определялся по самому большому контуру темных участков. В действительности же скирмионы еще меньше.

Желающим детальнее ознакомится с исследованием рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Исследователям удалось показать, что ферромагнетики, несмотря на их преимущества, не смогут долго оставаться монополистами. Ферримагнетики также способны показать отличный результат. В данном случае удалось достичь смещения доменной стенки со скоростью 1 км/с, а минимальный размер скирмиона составил не более 10 нм в диаметре. И самое важное — все это при комнатной температуре. Последнее является особенно привлекательным для практического применения. Многие разработки, находящиеся на стадии исследования, показывают хорошие результаты только в определенных условиях (температура, давление, влажность, различные воздействующие электромагнитные поля и излучения и т.д.), воссоздать которые можно только в лаборатории.

Ученые считают, что ферримагнетики могут стать базой для будущих устройств, опирающихся на спинтронику. При этом их свойства можно будет контролировать, изменять и подстраивать под нужды определенного устройства или процесса. Более того, это позволит реализовать антиферромагнитные спиновые системы, в которых магнитное состояние все же будет легко обнаружить оптическими или электрическими методами.

Изучить предстоит еще многое. Трудностей также будет не мало. Но все технологии и их авторы прошли тернистый путь в свое время прежде чем достичь совершенства. Вспомнился один случай, не знаю насколько он правдив, но все же. Во времена первых машин произошло ДТП, виновник которого решил скрыться с места происшествия. Полиция догнала его на велосипедах. А что мы имеем сейчас? Авто, способные разогнаться хоть до 350 км/час. Тут уже велосипед для погони не подойдет.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?