ГОРНАКОВ Владимир Степанович

элементарные акты перемагничивания квази- двумерных магнетиков и доменных границ

Специальность 01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Черноголовка 2007

Работа выполнена в Институте физики твердого тела

Российской академии наук.

Официальные оппоненты:

д-р физ.-мат. наук Волков Вадим Викторович,

д-р физ.-мат. наук профессор Звездин Анатолий Константинович,

д-р физ.-мат. наук Пономарев Борис Константинович,

Ведущая организация – ИФМ УрО РАН

Защита состоится « » 2008 г. в час.

на заседании диссертационного совета Д 002.100.01 при ИФТТ РАН, 142432 г. Черноголовка, Московская область, ул. Институтская, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФТТ РАН.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. Н. Зверев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы определяется резко возросшим интересом к физическим объектам с пониженной размерностью. К их числу относятся квазидвумерные системы спинов, локализованные в доменных границах (ДГ) и ультратонких однородных и гетерофазных магнитных пленках. С тех пор, как понятие доменной границы как переходного слоя между двумя однородно намагниченными доменами было впервые введено Блохом, двумерные магнитные структуры стали объектом всестороннего обсуждения и исследования. Было установлено, что процессы смещения ДГ оказывают решающее влияние на многие физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, определяющие возможности их широкого использования для решения важнейших практических задач. Фундаментальные основы современной теории формирования структуры ДГ и ее динамики были заложены Ландау и Лифшицем, рассмотревших одномерную модель ДГ. Однако очень скоро было установлено, что в реальных кристаллах в подавляющем большинстве случаев обязательным элементом структуры ДГ могут быть блоховские линии и точки, разделяющие участки с противоположным направлением разворотов спинов в ней, которые, естественно, должны оказывать влияние на динамические свойства как самой ДГ, так и всего кристалла при приложении к нему внешних магнитных полей. Нелинейные процессы динамического преобразования намагниченности в квазидвумерной неоднородной системе спинов, локализованной в доменной стенке в значительной степени определяют способы диссипации энергии, подведенной к доменной границе извне, и ее инерционные свойства. Как было показано теоретически и установлено в ряде случаев экспериментально, в качестве каналов диссипации и факторов, влияющих на эффективную массу ДГ, могут выступать как топологические элементы ее структуры - блоховские линии и блоховские точки, так и динамические - пристеночные магноны, уединенные нелинейные возбуждения. Было выполнено большое количество теоретических и экспериментальных работ по изучению их свойств, однако, полного понимания механизма формирования и эволюции элементов структуры ДГ в условиях изменения внешней накачки в широком динамическом диапазоне не было. Выяснение основных закономерностей кинетики преобразования структуры и элементарных актов перемагничивания доменной границы и зависимости этих явлений от структуры и динамических свойств, содержащихся в ней элементов в условиях различных режимов ее движения, представляет фундаментальный интерес, важный с точки зрения развития физики доменных границ и спектров возбуждений в ферромагнетике. В связи с этим первостепенное значение приобретает прямое экспериментальное исследование элементарных актов перемагничивания ДГ и элементов ее структуры при последовательном изменении параметров внешней накачки.

С развитием нанотехнологий и прецизионных методов регистрации физических параметров низкоразмерных систем, которые позволили синтезировать и аттестовать сверхтонкие гетерофазные слоистые магнитные пленки, изучение элементарных актов перемагничивания квазидвумерных магнитных сред приобрело особенную актуальность как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Обменное взаимодействие на границе раздела между слоями с различным магнитным порядком формирует принципиально новое основное состояние гетерофазного магнетика, коренным образом изменяет поведение спинов во внешнем магнитном поле и приводит к возникновению ряда необычных явлений. С момента открытия эффекта обменного смещения в нанокомпозитных частицах ФМ/АФМ и последующего синтеза большого спектра гетерофазных тонкопленочных магнетиков, обладающих уникальными магнитными и транспортными свойствами, изучению влияния их магнитной и кристаллической структуры, состава, условий выращивания на процессы перемагничивания этих наноструктур уделялось много внимания. Теоретический анализ распределения намагниченности до и после намагничивания тонкопленочных гетероструктур показывает, что результат в значительной степени зависит от анизотропии в слоях, атомарной структуры и характера межслоевого обменного взаимодействия. Однако, широко обсуждаемые простейшие механизмы, связанные с формированием во внешнем магнитном поле одномерного распределения спинов, лишь качественно объясняют некоторые из наблюдаемых особенностей перемагничивания таких гетероструктур. А ряд важных предсказаний таких моделей противоречит экспериментальным данным. Совершенно неизученными в экспериментальном плане остаются элементарные акты перемагничивания таких слоистых нанокомпозитов. Не изучено влияние на процессы формирования доменной структуры в таких материалах внешних возбуждений и внутренних факторов, таких как дефекты кристаллической решетки в слоях и на межфазной поверхности, стехиометрии слоев и типа обменной связи между ними, магнитостатических полей. Актуальность исследования таких структур обусловлена еще и обнаружением в них новых явлений – однонаправленной (обменной) анизотропии, проявляющейся в сдвиге петель гистерезиса вдоль оси магнитного поля, осцилляций обменного взаимодействия между магнитными слоями с изменением толщины прослоек от ферромагнитного к антиферромагнитному, гигантскому магнитосопротивлению.

Цель работы. В связи с изложенным в диссертационной работе были поставлены следующие основные задачи. 1. Выяснение основных закономерностей преобразования квазидвумерной системы спинов, локализованных в доменных границах, условий и кинетики формирования элементарных и нелинейных возбуждений в них и влияния этих возбуждений на структуру и динамические свойства границ. 2. Разработка методов регистрации доменной структуры и ее преобразования в режиме реального времени в слоистых наномагнетиках. 3. Прямое экспериментальное изучение элементарных актов перемагничивания обменно-связанных гетероструктур и слоистых наномагнетиков – сверхрешеток и спиновых вентилей. Исследование влияния межслоевого обменного взаимодействия на основное состояние таких гетерофазных магнетиков и на микромеханизмы формирования и эволюции доменной структуры, ответственные за ряд необычных явлений.

Научная новизна результатов, составляющих содержание диссертации, заключается в следующем:

1. Получены систематические экспериментальные данные об особенностях преобразования структуры блоховских стенок в монокристалле иттриевого феррограната в условиях увеличения уровня внешней накачки, позволившие выявить области неустойчивости движения намагниченности, отделяющих характерные режимы вынужденных колебаний ДГ, связанные с сугубо нелинейными процессами возбуждения пристеночных магнонов, расширением их спектра и увеличением плотности с последующим формированием их связанного состояния - уединенных нелинейных волн солитонного типа. Показана решающая роль элементарных и нелинейных возбуждений в системе спинов, локализованной в доменной границе, на формирование ее тонкой структуры и переход от линейных осцилляций к хаотическому движению под действием внешнего поля.

2. Получены данные о характере взаимодействия изгибных и трансляционных мод колебаний ДГ, установлено, что спектры элементарных и нелинейных возбуждений ДГ зависят от скорости ее стационарного движения. Обнаружена непредсказывавшаяся ранее асимметрия зависимости собственных частот и ширины резонансных линий от скорости трансляционного движения.

3. Обнаружен ряд не предсказывавшихся теоретически особенностей в закономерностях движения ДГ в потенциальном рельефе, формируемом вдоль нее динамическими дефектами, ответственными за эффект магнитного последействия, установлен характер наведенной ими локальной анизотропии, определены характерные времена формирования и распада, а также поперечный размер, локальной потенциальной ямы для ДГ.

4. Установлено, что при хаотическом режиме колебаний ДГ в ней формируются уединенные динамические нелинейные возбуждения солитонного типа, которые играют решающую роль в динамическом преобразовании ее структуры и значительно уменьшают ее подвижность. Показано, что возбуждение таких уединенных возмущений в квазидвумерной системе спинов, формирующих ДГ, происходит наиболее эффективно при оптимальных частотах внешнего поля, а их размер, плотность и скорость распространения растут с увеличением амплитуды поля, приводя в конечном счете к образованию топологических солитонов – пары блоховских линий.

5. Впервые в системе спинов, локализованных в 180°-ой ДГ слабоанизотропного ферромагнетика, показано, что ориентированное вдоль нормали к этим границам внешнее магнитное поле, определяет характеристики вынужденных и свободных колебаний, а также дрейфа блоховских линий, обусловленных действием гиротропных сил, возникающих при осцилляции доменных стенок в поле, параллельном векторам намагниченности в доменах. Обнаружена зависимость амплитуды и фазы колебаний БЛ от величины и направления поляризующего ее поля. Экспериментально определены эффективная масса m и коэффициент вязкого трения ?? поляризованной блоховской линии. Показано, что эти величины, полученные для одномерной БЛ, значительно меньше m и ??? для двумерной и хорошо согласуются с их теоретическими оценками.

6. Впервые измерен спектр колебаний блоховской точки вдоль блоховской линии. Установлено, что он имеет релаксационный характер. Показано, что рассчитанная по экспериментальным данным величина подвижности точки на 2-3 порядка меньше значений подвижностей линии и границы.

7. Получены систематические экспериментальные данные об особенностях перемагничивания эпитаксиальных тонкопленочных гетерофазных структур «магнитомягкий ферромагнетик/магнитожесткий ферромагнетик» (ММФ/МЖФ) и «ферромагнетик/антиферромагнетик» (ФМ/АФМ), позволившие выявить процессы неоднородного преобразования намагниченности, обусловленные зарождением новых доменов и их расширением в структурах ФМ/АФМ и неоднородным вращением намагниченности в структурах ММФ/МЖФ. Установлено, что определяющим в обоих типах наномагнетиков при их перемагничивании является формирование вблизи межфазной поверхности обменных спиновых спиралей - коллективных возбуждений нового типа в системе спинов в гетерофазных нанокомпозитах.

8. Получены данные о характере формирования и роста доменов в ФМ/АФМ структурах, основное состояние которых характеризуется как однородным латеральным распределением спинов, так и полосовой доменной структурой с антипараллельной и с неколлинеарной ориентацией осей однонаправленной анизотропии и стационарными гибридными доменными границами. Установлено, что гистерезисные свойства и процесс перемагничивания ФМ/АФМ структур в значительной степени зависят от степени совершенства примыкающих к межфазной поверхности слоев, показано, что эти свойства изменяются с отжигом и зависят от порядка нанесения ферро- и антиферромагнитных слоев на подложку и материала этих слоев.

9. Обнаружено явление динамической ориентации гибридных ФМ/АФМ границ при отклонении внешнего магнитного поля от оси однонаправленной анизотропии, доказывающее, что в процессе перемагничивания ФМ/АФМ структуры в АФМ слое формируется параллельная интерфейсу обменная пружина с направлением закрутки, инициированным компонентой поля, перпендикулярной к оси однонаправленной анизотропии.

10. Обнаружено новое явление асимметрии активности центров зарождения доменов в эпитаксиальных двухслойных структурах ФМ/АФМ при их перемагничивании. Установлено, что перемагничивание из основного состояния начинается в местах, где поле обменной анизотропии минимально, а магнитостатическое поле максимально, тогда как перемагничивание в основное состояние, наоборот, начинается в местах, где поле обменной анизотропии максимально, а магнитостатическое поле минимально. Наблюдаемая асимметрия не описывается простыми теоретическими моделями «замороженных» АФМ спинов и указывает на определяющую роль запасаемой потенциальной энергии обменных пружина АФМ слоя в процессе их формирования и раскручивания при перемагничивании структуры.

11. Получены данные о характере взаимодействия дислокаций с намагниченностью в ФМ слое ФМ/АФМ структур в зависимости от их типа и ориентации относительно оси однонаправленной анизотропии. Обнаружен ряд не предсказывавшихся теоретически особенностей в закономерностях движения намагниченности в потенциальном рельефе, созданном вдоль плоскостей скольжения краевых дислокаций. Установлено, что наведенная вдоль этих плоскостей локальная магнитная анизотропия ФМ слоя не является однонаправленной и существенно изменяет магнитную структуру ферромагнетика как в статическом, так и в динамическом состояниях, и связанна исключительно с нарушением трансляционной симметрии вблизи дислокаций в антиферромагнетике.

12. Выявлены общие для обменно-связанных гетерофазных тонкопленочных магнетиков особенности микромеханизмов неоднородного перемагничивания, обусловленные зарождением и эволюцией локальных обменных спиновых спиралей разной хиральности, задаваемой дисперсией осей однонаправленной анизотропии ММФ слоя на межфазной поверхности. Обнаружены и исследованы новые моды неоднородного мелкомасштабного перемагничивания, связанные с образованием спиновых пружин как разнохиральных, так и когерентных.

13. Обнаружен асимметричный микромеханизм перемагничивания обменно-связанных двухслойных структур, обусловленный существованием топологических барьеров, отделяющих обменные пружины с противоположной хиральностью. Выявленные отличительные особенности процесса перемагничивания в высоких полях ММФ/МЖФ от ФМ/АФМ структуры определяются необратимостью преобразования части локальных спиновых ММФ пружин в 180-градусные домены в МЖФ слое.

14. Впервые получены данные об элементарных актах перемагничивания многослойных гетерофазных нанокомпозитов – магнитных сверхрешеток и спиновых вентилей, выявлено влияние толщины немагнитных прослоек между ФМ слоями на распределение намагниченности в них и динамику кооперативных доменных границ. Обнаружены не предсказывавшиеся ранее двухстадийные спин-переориентационные фазовые переходы в магнитных сверхрешетках с антиферромагнитным обменным взаимодействием между магнитными слоями. Установлена корреляция между величиной эффекта гигантского магнитосопротивления и микромеханизмом перемагничивания сверхрешеток с различными толщинами немагнитных прослоек.

15. Установлено, что перемагничивание обладающих эффектом ГМС как симметричных, так и несимметричных спиновых вентилей происходит в два этапа: за счет процессов неоднородного вращения намагниченности с последующим образованием доменов в свободном слое на первом этапе и неоднородных процессов вращения намагниченности в закрепленном слое на втором. Обнаружено явление изменения в результате отжига типа межслоевой обменной связи в спиновых вентилях, кардинально влияющее на магнитные и магнитотранспортные свойства.

16. Обнаружены и исследованы эффекты преобразования намагниченности в синтетическом антиферромагнетике, состоящем из обменно-связанной трехслойной структуры ФМ/немагнетик/ФМ, нанесенной на подложку с полосовой профилированной поверхностью, обеспечивающей высокое значение наведенной анизотропии прилегающего ферромагнитного слоя. В образцах, толщина немагнитной подложки в которых была порядка или меньше параметра решетки, наблюдалось аномальное перемагничивание структуры через трехстадийный процесс за счет движения 180о-ых и не-180о-ых доменных границ. Установлено, что неколлинеарные состояния намагниченности в слоях и их преобразования обусловлены конкуренцией между ферромагнитным и антиферромагнитным обменным взаимодействием через пинхолы и немагнитную прослойку Ru, соответственно, и определяются как высотой рельефа подложки, так и толщиной немагнитной прослойки.

Научная и практическая значимость работы. Выявленные в настоящей работе закономерности протекания элементарных актов перемагничивания в квазидвумерных системах спинов, локализованных в доменных границах и обменно-связанных гетерофазных тонкопленочных магнетиках представляют собой основу для дальнейшего развития теории, описывающей свойства реальных магнитоупорядоченных кристаллов и синтезированных нанокомпозитов. Наиболее важные результаты заключаются в раскрытии целого ряда не учитывающихся ранее особенностей формирования структуры и динамического поведения ДГ в многоосном слабоанизотропном диэлектрическом магнетике при увеличении внешней накачки, а также в обнаружении и экспериментальном изучении процессов неоднородного преобразования системы спинов в магнитных двухслойных пленках, сверхрешетках и спиновых вентилях, определяющих их магнитные и магнитотранспортные свойства. Результаты детального изучения нелинейных процессов преобразования структуры ДГ и зависимости перемагничивания нанокомпозитных магнетиков от их структуры и внешних воздействий могут быть использованы при разработке методов создания материалов с заданными магнитными свойствами и открывают перспективы развития новых методов изменения их динамических свойств и разработки элементов и устройств спинтроники.