Delist.ru

Элементарные акты перемагничивания квази-двумерных магнетиков и доменных границ (02.10.2007)

Автор: Горнаков Владимир Степанович

На защиту выносятся:

1. Результаты прямого экспериментального изучения процессов динамического преобразования структуры и нелинейной динамики монополярной доменной границы в условиях изменяющегося уровня возбуждения кристалла внешним магнитным полем.

2. Результаты непосредственного экспериментального изучения динамических свойств элементов структуры ДГ – нелинейных возбуждений, блоховских линий и блоховских точек, и их влияния на формирование ее основных фундаментальных характеристик.

3. Результаты систематического исследования процессов перемагничивания в эпитаксиальных обменно-связанных пленках ФМ/АФМ и ММФ/МЖФ и факторов, влияющих на формирование и преобразование доменной структуры в этих гетерофазных пленках.

4. Результаты экспериментального изучения закономерностей формирования и эволюции обменных спиновых пружин в пленочных нанокомпозитных ФМ/АФМ и ММФ/МЖФ структурах.

5. Результаты исследования процессов формирования неоднородного спинового состояния и элементарных актов перемагничивания в магнитных сверхрешетках, спиновых вентилях и синтетических антиферромагнетиках и их влияние на эффект гигантского магнитосопротивления.

Национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2000 (Москва, 2000), International conferences «Functional Materials» (Partenit, Ukraine, 2001; 2003; 2005), 5th International symposium on hysteresis modeling and micromagnetics (Budapest, Hungary, 2005), Conferences on magnetism EASTMAG (Ekaterinburg, 2001; Krasnoyarsk, 2004; Kazan, 2007), III Joint European magnetic symposia JEMS’06 (San Sebastian, Spain, 2006),The 3rd Internatio nal Symposium on Nano & Advanced Materials (Changwon, Korea, 2007).

Основное содержание диссертации опубликовано в 50 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, списка литературы из 405 наименований и изложена на 350 странице, включающих 312 страниц текста и 173 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, сформулирована тема диссертации, обоснованы ее актуальность, научная и практическая значимость работы, выделены основные, наиболее значимые из полученных результатов.

Глава 1. Динамика монополярной доменной границы и формирование двумерных спиновых волн и топологических солитонов в ней. В §1.1 этой главы дан литературный обзор теоретического и экспериментального исследования тонкой структуры доменных границ и их динамических свойств, а также элементарных и нелинейных возбуждений намагниченности в ферромагнетиках. Впервые статические и динамические аспекты внутриграничного распределения намагниченности в одноосном бесконечном ферромагнетике были рассмотрены в известной работе Ландау и Лифшица, показавшими, что доменная граница представляет собой топологически стабильную одномерную обменную спиновую пружину. Последующие многочисленные экспериментальные и теоретические работы, показали, что распределение намагниченности в границе является многомерным. ДГ состоит из участков с противоположным направлением разворота спинов, с переходной областью между ними, представляющую собой часть ДГ - блоховскую линию, в которой происходит поворот вектора М как поперек стенки, так и вдоль нее. Более детальный учет вклада всех типов магнитных взаимодействий в полную энергию ферромагнетика показал, что структура стенок может быть трехмерной с образованием скрученных участков и блоховских точек.

Особый интерес вызывают исследования влияния элементов структуры ДГ на процессы намагничивания ферромагнетика, поскольку они являются важными каналами диссипации энергии, лимитирующими скорость движения границы и определяющими ее инерционные свойства. Кроме того, теоретически и экспериментально, в недавних работах на монокристаллах ИЖГ, было показано, что на динамические свойства ДГ существенное влияние оказывают сугубо нелинейные процессы возбуждения в ней специфических пристеночных магнонов и уединенных волн солитонного типа. Благодаря достигнутым успехам в развитии методов решения нелинейных уравнений Ландау-Лившица для движения намагниченности была показана возможность формирования в идеализированной бездиссипативной среде динамических солитонов и их трансформации в топологически устойчивые доменные границы. Однако для реальных магнетиков в целом и системы спинов, формирующих ДГ, в частности, эта важная задача физики магнетизма по анализу формирования доменных границ и их субструктуры во внешних полях оставалась нерешенной. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных работ по изучению свойств структуры ДГ, полного понимания механизма формирования и эволюции ее элементов в условиях изменения внешней накачки в широком динамическом диапазоне достигнуто не было. Выяснение основных закономерностей кинетики преобразования структуры и элементарных актов перемагничивания ДГ 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.

В §1.2 представлены методические вопросы исследования динамической структуры ДГ. Для решения поставленной задачи были изготовлены образцы в виде тонких монокристаллических пластинок Y3Fe5O12 и развиты прецизионные методы магнитооптической и индукционной регистрации движения и динамического преобразования структуры доменных границ в них. Реализованы условия существования исходно монополярной блоховской стенки при наложении небольшого поляризующего ее поля Н.

В параграфах (1.3/1.6) приведены данные экспериментального изучения динамических свойств доменных границ и микроскопических механизмов диссипации энергии при их взаимодействии с различными ветвями элементарных и нелинейных возбуждений: двумерными магнонами и нелинейными уединенными волнами, локализованными в этих ДГ. В §1.3 представлены первые результаты их исследования в монокристалле ИЖГ, содержащем уединенную монополярную 180-градусную ДГ. В процессе увеличения амплитуды внешнего поля h(t)=h0·sin??t выявлено три режима движения ДГ, при смене которых происходит резкое (более чем на порядок) изменение подвижности стенки (Рис.1). При этом нелинейный характер поведения доменной границы обусловлен механизмами различной природы. При первом режиме по слабой зависимости v0 от h0 при h0h0>h01) колебаний блоховской стенки характеризуется возбуждением в ней изгибных мод. В режиме «3» (h0>h02) нелинейность движения ДГ проявлялась в возникновении хаотических колебаний, характеризующихся непериодичностью зависимости смещения ДГ во времени и изменением характеристик сплошного спектра в Фурье-разложении сигнала. Таким образом, впервые удалось получить прямые экспериментальные доказательства существования различных режимов движения доменной границы, контролируемых формированием в ней элементарных или нелинейных возбуждений намагниченности.

В §1.4 представлены результаты детального экспериментального изучения стоячих волн, локализованных на доменной границе в области полей «2» (h01тем сильнее, чем больше номер пика n. Был также обнаружен и обратный эффект влияния возбуждений ДГ на ее трансляционное движение. Обнаруженные явления диссипации энергии в ферромагнетике могут быть обусловлены как сложным потенциальным рельефом для движения намагниченности, создаваемым различными дефектами кристаллической решетки, так и многомагнонными процессами рассеяния и взаимодействия с другими типами элементарных и нелинейных возбуждений в ДГ в условиях ее надбарьерного движения.

Природа первых экспериментально изучена в §1.5, в котором представлены результаты движения ДГ в слабом магнитном поле и их анализ. В области слабых полей «1» (Рис.1), вплоть до критических значений h01, признаков нелинейности колебаний ДГ не наблюдалось. Лишь первая гармоника присутствовала на Фурье-разложении сигнала. Однако при некотором пороговом значении поля, зависящем от его частоты, наблюдалось резкое увеличение амплитуды колебаний ДГ, которое сопровождалось появлением гармоник более высокого порядка и небольших узких областей сплошного спектра, соответствующих возбуждению изгибных мод колебаний ДГ, описанных в §1.4.

Переход из первой области и обратно был нестабильным и гистерезисным. Детальные измерения зависимостей v0(h0) и v0(?В) показали, что нестабильность осцилляций ДГ связана с пороговым возбуждением и резким затуханием низкочастотных мод колебаний ДГ при ее переходе из низкоподвижного состояния в высокоподвижное при увеличении амплитуды поля и обратно в низкоподвижное состояние при уменьшении h0, соответственно. Исследование характера осцилляций монополярной ДГ вблизи критического поля в режиме реального времени с использованием повторяющихся цугов поля h(t) показали, что в слабых полях ДГ движется в локальной потенциальной яме, образованной около нее динамическими дефектами, когда эта ДГ неподвижна. Обнаруженное явление заключается во взаимодействии движущейся ДГ с этими дефектами, энергия которого зависит от величины и ориентации локальной намагниченности и может изменяться, например, в результате электронных переходов Fe2+?Fe3+, ответственных за эффект магнитного последействия. Этот вывод подтверждается «размазыванием» потенциальной ямы осциллирующей доменной границей. При этом были измерены времена релаксации ямы при ее формировании и разрушении (порядка 25(50мс) и пространственный статический размер (порядка ширины ДГ ~0.3мкм). Обнаруженные взаимодействия проявляются лишь в монополярной ДГ. В условиях возбуждения ДГ более высоким полем эффект не наблюдается, что связано с нелинейными процессами параметрического возбуждение пристеночных магнонов, для объяснения которых необходимо построить нелинейную теорию спин-волновой неустойчивости и хаоса в доменной границе.

Экспериментально режим нелинейных возбуждений в доменной границе исследован в §1.6. При переходе из области «2» на зависимости v0(h0) в область «3» была обнаружена еще одна область нестабильности колебаний ДГ (Рис.1). При этом в высоких полях подвижность стенки резко уменьшалась. Эта нестабильность характеризовалась изменением режима колебаний стенки от периодического к хаотическому [Рис.2(а)], появлением в Фурье-разложении больших непрерывных областей спектра вместе с шумом дискретных гармоник на частотах ?n = (n+1\2)?В [Рис.2(б)]. Используя сигнал регистрирующих катушек, пропорциональный dq/dt, и результат его численного интегрирования были построены траектории ДГ в фазовом пространстве dq/dt от q. На Рис.2(в) четко видна бифуркация от периодического фазового портрета к хаотическому, подобному хаотическому странному аттрактору.

Прямое экспериментальное изучение структуры ДГ и процессов ее преобразования в магнитных полях было осуществлено с использованием методики магнитооптической (МО) регистрации, которая позволила выявить в области высоких полей появление импульсов интенсивности излучения, соответствующих прохождению вдоль границы областей с намагниченностью, отличной от исходной. При однократном фотометрировании хаотически движущейся ДГ были обнаружены отдельные одиночные всплески МО сигнала. Характеристики и плотность наблюдаемых импульсов МО сигнала зависели от параметров приложенных полей. Обнаруженные локальные возбужденные состояния ДГ отвечают зарождению и движению вдоль стенки нелинейных волны солитонного типа, которые после резкого выключения поля преобразовывалась либо в зародыши субдоменов с размерами от 5 до 10 мкм, либо в пару БЛ, ограничивающих субдомен. Таким образом, установлено, что переход к хаотическому режиму колебаний ДГ обусловлен нелинейными процессами преобразования ее структуры.

Глава 2. прямое экспериментальное изучение зависимости динамических свойств доменной границы от состояния ее структуры. В монокристаллах, принадлежащих к обширному классу магнитоупорядоченных веществ с К<<2?М2, в 180-градусной ДГ в зависимости от уровня возбуждения переменным магнитным полем обязательным элементом ее структуры являются пристеночные магноны, уединенные нелинейные волны и блоховские линии. Для описания динамических свойств таких двумерных ДГ существующие теории оказались неприменимы. Однако оказалось возможным прямое экспериментальное исследование нелинейных явлений в квазидвумерной системе спинов, локализованных в ДГ, на монокристаллах многоосного иттриевого феррограната, относящегося к этому классу веществ. В данной главе последовательно изучена динамика двумерной ДГ и элементов ее структуры как в сильных полях, стимулирующих ее динамическое преобразование, так и в относительно слабых, вызывающих согласованное движение ДГ и содержащихся в ней блоховских линий.

В §2.1 Исследовано влияние уединенных нелинейных возбуждений и блоховских линий на динамические параметры доменной границы. В первой части параграфа приведены результаты детального экспериментального изучения условий формирования и свойств обнаруженных нелинейных возмущений намагниченности солитонного типа в 180-градусной блоховской стенке. Область их существования ограничивалась фазовой кривой h0C(?B) на диаграмме (h0C-?B), пример которой приведен на Рис.3. Спонтанное зарождение нелинейных возбуждений и их перемещение наблюдалось лишь выше этой кривой, тогда как ниже нее в зависимости от предыстории они либо совсем не зарождались, либо уже существующие трансформировались в квазистатические субдомены, совершающие пульсирующие непериодические движения, оставаясь в среднем около своего положения равновесия. Выше фазовой кривой плотность возбуждений в ДГ быстро возрастала и они уже не могли рассматриваться без взаимодействия между собой. При этом в одних и тех же условиях наблюдались пики МО сигнала от очень малых, но уже надежно выявлявшихся над уровнем шумов, до больших, соответствовавших полностью перевернутым спинам. При этом скорость и размер возмущенной области могли лежать в широких пределах. Поэтому параметры отдельных возбуждений – амплитуду, скорость и линейный размер, удалось измерить лишь в условиях, когда ?B и h0 были близки к значениям кривой h0C(?B). Существенная зависимость этих параметров и темпа генерации нелинейных возбуждений от h0 и ?B не позволяет найти простую связь между характеристиками возбуждающего поля и их динамическими свойствами. Однако скоррелированый характер этой зависимости и обнаруженная модуляция МО сигнала с частотой, равной частоте поля h(t), обусловленная периодическим изменением размера возбуждаемой области, как во времени, так и в пространстве, или прецессией расположенных в ДГ спинов, ясно указывают на специфичность этих возбуждений и их принципиальное отличие от статических субдоменов.

Влияние нелинейных возбуждений на подвижность ДГ удалось выяснить в условиях ее двухчастотного возбуждения. Была измерена амплитуда Y0 вынужденных линейных колебаний ДГ в низкочастотном поле H(t), не возбуждающем нелинейных мод колебаний, в зависимости от амплитуды одновременно действующего высокочастотного поля h0. С увеличением амплитуды h0, на начальной стадии амплитуда вынужденных колебаний Y0 и, следовательно, скорость монополярной ДГ возрастала, указывая на уменьшение глубины локальной потенциальной ямы, изученной в §1.5, вплоть до достижения амплитудой h0 некоторого значения, при котором величина Y0 достигает своего максимума, а затем, при дальнейшем увеличении h0, падает. Это уменьшение, как показали МО измерения, обусловлено новым механизмом потерь энергии стенкой, связанным с существенно неоднородным процессом преобразования структуры ДГ, приводящим к возбуждению уединенных нелинейных спиновых волн и увеличением их плотности под действием достаточно больших величин высокочастотного поля h(t).

Таким образом, можно заключить, что при определенных условиях обязательным элементом структуры 180-градусных доменных границ в ИЖГ, кардинально влияющих на их подвижность, являются нелинейные возбуждения системы спинов, локализованных в этих ДГ. Теоретический анализ нелинейного уравнения Ландау-Лифшица, описывающего динамику намагниченности применительно к использованной в эксперименте ситуации, еще не осуществлен. Однако из проведенных исследований можно заключить, микроскопическая картина формирования обнаруженных в монокристаллах ИЖГ явлений может быть описана в терминах магнитных солитонов по аналогии с тем, как это сделано при рассмотрении нелинейных возбуждений в объеме в целом однородно намагниченного ферромагнетика.

В системе спинов, локализованных в ДГ, в роли топологических солитонов выступают блоховские линии. Переменное магнитное поле возбуждает в этой системе поверхностные магноны, которые при высокой плотности магнонного газа образуют связанные состояния - своеобразные нелинейные волны намагниченности. При больших амплитудах отклонения векторов М от исходного состояния они преобразуются под влиянием магнитостатических полей в динамический солитон большой амплитуды, который при ? ? 180о можно рассматривать в ряде случаев как связанное состояние двух БЛ. Развал такого состояния при выключении переменного поля приводит к его преобразованию с некоторой вероятностью в статический субдомен.

В экспериментах подобного типа можно будет получать полную информацию о характеристиках нелинейных возбуждений намагниченности солитонного типа в квазидвумерной системе спинов, локализованных в ДГ, т.е. могут быть определены их скорость перемещения, частота осцилляций, пространственные характеристики и амплитуды. Однако для полного доказательства построенной, качественно непротиворечивой картины описанных явлений кинетики формирования и динамического преобразования структуры ДГ, необходимо развитие строгой теории, конкретизированной к использованной экспериментальной ситуации.

Динамические свойства доменных границ, содержащих блоховские линии, исследованы в следующей части параграфа 2.1. В слабых полях, вплоть до начала нелинейных процессов необратимого поступательного смещения всей системы БЛ вдоль границы, наблюдались совместные осцилляции ДГ и БЛ. С целью выявления закономерностей движения БЛ и спинов, локализованных в ДГ, и их влияния на динамические характеристики ДГ было проведено одновременное изучение изменения характера движения 180-градусных ДГ и БЛ внутри них при приложении к образцу переменных магнитных полей параллельных намагниченности в доменах h(t) или субдоменах Нх(t), оказывающих непосредственное давление на ДГ или БЛ, соответственно. МО измерения показали, что в поле как одной, так и другой ориентации вынужденные колебания ДГ и БЛ вдоль нее происходят синфазно, а их резонансные частоты совпадают. При этом очевидно, что БЛ, совершая одновременные осцилляции в двух взаимно перпендикулярных направлениях, вдоль и поперек ДГ, движутся по эллиптическим траекториям под влиянием гиротропных сил, введенных ранее для описания движения БЛ в ДГ. Чтобы исключить искажения формы резонансных кривых в условиях действия на БЛ гиротропной силы при приложении к ДГ поля h(t), зависимости амплитуды колебаний линии от частоты ?B были измерены в условиях действия на нее постоянной силы, т.е. при фиксированном значении произведения ?B·h0. Исходя из данных, полученных из резонансных кривых, были оценены эффективные значения массы БЛ mz и коэффициента вязкости ?z при ее движении вдоль ДГ. Они равнялись ~1.8(10-12г/см и ~1.8(10-6г/см·с, соответственно. Анализ наблюдаемых взаимосвязанных колебаний ДГ и БЛ был также проведен на основе предложенной Тилем теории, учитывающей действия гиротропных сил и диссипативных процессов в движущейся ДГ с БЛ. Теоретические значения mz* и ?z*, полученные для той же экспериментальной ситуации, равнялись 5(10-12г/см и 1.4(10-7г/см·с, соответственно.

Из сравнения полученных значений видно, что массы экспериментальная и расчетная имеют удовлетворительное согласие, тогда как коэффициенты вязкого трения расходятся примерно на порядок. Тем не менее, это различие меньше получаемого при исследовании подвижности ДГ в ИЖГ. Таким образом, из экспериментов по изучению динамики БЛ и ДГ можно заключить, что экспериментальные значения эффективного коэффициента вязкого трения движению ДГ и БЛ не могут быть описаны исходя лишь из идеального распределения М в структуре БЛ. Очевидно, что необходимо учитывать более сложное распределение намагниченности в БЛ и дополнительные каналы диссипации энергии движущихся ДГ и БЛ, которые обусловливают более высокие эффективные значения коэффициентов вязкого трения ?z и ?y. В более высоких полях эти дополнительные каналы могут быть связаны с возбуждением внутренних степеней свободы ДГ, каковыми являются, например, элементарные и нелинейные волны, описанные в предыдущей главе и в первой части данного параграфа. А в слабых полях эффективные значения динамических параметров могут быть обусловлены более сложным распределением спинов в доменной границе в целом и в блоховских линиях в частности.

Экспериментальное изучение влияния структуры блоховских линий на их движение в 180-градусной доменной стенке под действием гиротропных сил проведено в §2.2. Одна из причин отмеченного выше несоответствия ?z и ?z* связана с тем, что теоретический анализ в §2.1 был выполнен на основе рассмотрения монополярных БЛ, в то время как в реальных условиях их структура спинов может быть закрученной, содержать нульмерные магнитные дефекты - блоховские точки. Их присутствие должно, прежде всего, значительно уменьшать суммарную гиротропную силу, действующую на БЛ, и, как следствие, приводить к увеличению измеряемой вязкости для движения БЛ.

Исследование большого количества блоховских линий показало, что они характеризуются неодинаковым исходным состоянием. Это проявлялось в различии их отклика на переменное или импульсное магнитное поле h(t). Для выявления вклада неоднородного вдоль блоховских линий распределения намагниченности на характеристики движения БЛ в условиях их осцилляции вблизи положений равновесия и дрейфа под влиянием переменного поля h(t) к кристаллу прикладывалось постоянное магнитное поле Ну, действующее перпендикулярно к плоскости 180-градусной доменной стенки в ИЖГ Было обнаружено, что амплитуда смещения БЛ в поле h(t) зависит от напряженности Hу, а инвертирование полярности этого подмагничивающего поля сопровождается изменением фазы колебания БЛ на величину ?.

Обращает на себя внимание сильное влияние поля Ну на амплитуду колебаний БЛ (Рис.4). Для оценки экспериментальных значений динамических параметров БЛ - эффективной массы и коэффициента вязкого трения, были выбраны кривые резонансного смещения БЛ записанные в очень слабом поле h(t), когда Фурье-анализ МО сигнала выявлял единственный пик, свидетельствовавший о том, что в этих условиях БЛ осциллировала только на частоте внешнего поля h(t). Значения mz ? 0.9(10-12 r/см, ?z ? (0.4/0.7)(10-6г/см·с были получены из резонансной кривой 3 на Рис.4 по той же методике, что и в §2.1. Теоретический расчет, сделанный с учетом действия на БЛ гиротропных сил, дает величины mz* = 0.85(10-12r/см и ?z* = 0.2(10-6г/см·с. Из сопоставления всех данных очевидно, что значения не только для mz, как это было в §2.1, но и для ?z, полученные на основе эксперимента, оказываются одного порядка величины с вычисленными. Причем при увеличении поля Ну расхождение между экспериментальными и теоретическими данными уменьшается кардинально.

Очевидно, что структура БЛ в иттриевом феррогранате в большинстве случаев неоднородна по ее длине и включает в себя блоховские точки, которые могут смещаться под действием поля Ну. Однако достигалась ли полная поляризация БЛ в эксперименте сказать нельзя, поскольку при дальнейшем увеличении Ну зависимость z0(?B) принимала более сложную форму из-за формирования различных мод колебаний БЛ и доменной стенки. Они могут отражать изгибные колебания БЛ, их зависимость от состояния реальной структуры магнетика и т.д.

Фундаментальный характер преобразования структуры БЛ в поле Ну проявляется также в условиях их дрейфа. Установлено, что скорость направленного движения БЛ зависит от поля Ну. Это поле при достаточной напряженности выравнивает характеристики дрейфа всех БЛ и определяет направление их нелинейного движения.

Вся совокупность представленных экспериментальных данных дает право утверждать, что в иттриевом феррогранате не только доменные стенки, но и блоховские линии могут состоять из участков противоположной полярности, разделенных переходными областями - блоховскими точками. Их существование предсказывалось теоретически для высокоанизотропных магнитных пленок.

Экспериментальное изучение (§2.3) динамических свойств блоховских точек в монокристаллах иттриевого феррограната ИЖГ с К<<2?М2 было осуществлено в условиях вынужденных высокочастотных колебаний блоховской линии под действием гиротропной силы при ее переполяризации внешним синусоидальным полем Hy(t). Результирующий МО сигнал в этом случае был промодулирован по амплитуде низкочастотным полем Hy(t). Глубина модуляции определялась амплитудой поля Ну и была пропорциональна амплитуде колебаний блоховской точки, что позволило впервые измерить амплитудно- частотную зависимость колебаний блоховской точки. Она имела релаксационный характер. Измерения подвижности ?B блоховских точек из их релаксационных кривых для различных линий и стенок давали значения порядка 102 см с-1Э-1. Полученная величина ?? оказалась на 2-3 порядка ниже величины подвижностей стенок и линий в тех же материалах. Существующая теория, развитая для высокоанизотропных одноосных магнитных пленок, не предсказывает столь большого различия. Оно может определяться особенностями перекачки энергии от точки Блоха к различным ветвям элементарных возбуждений.

Глава 3. Элементарные акты перемагничивания обменно-связанных гетерофазных тонкопленочных структур. Важной особенностью гетерофазных наномагнетиков является тот факт, что толщина магнитных слоев в типичных тонкопленочных структурах не превышает (и обычно существенно меньше) параметра ширины блоховской стенки ?~(A/K)1/2. Это означает, что весь процесс перемагничивания происходит либо за счёт зарождения и эволюции параллельной поверхности плёнки частичной доменной границы - спиновой спирали в обменно-связанных структурах «ФМ/АФМ» и «ММФ/МЖФ», либо за счет формирования фаз с неколлинеарным в общем случае распределением намагниченности в смежных ФМ слоях в магнитных сверхрешетках и спиновых вентилях. Образование при перемагничивании в таких обменно-смещенных ферромагнетиках специфических обменных спиновых спиралей открывает перспективы экспериментального изучения их эволюции и преобразования в параллельные поверхности пленки доменные границы в медленно меняющихся магнитных полях.

Их исследования в последнее время особенно стимулировались обнаружением ряда необычных явлений – однонаправленной анизотропии, осцилляций обменного взаимодействия между магнитными слоями с изменением толщины прослоек от ферромагнитного к антиферромагнитному, эффекта гигантского магнитосопротивления, и др., и перспективами их использования в качестве основы для создания магнитных сенсоров, считывающих головок и элементов памяти в новых поколениях вычислительной техники и устройствах спинтроники. В связи с этим возникла настоятельная необходимость учета элементарных актов перемагничивания таких гетерофазных структур, проливающего свет на реальное распределение спинов вблизи межфазной поверхности и адекватное описание процессов динамического преобразования доменной структуры в них. Однако обсуждаемые простейшие модели лишь качественно объясняют некоторые из наблюдаемых особенностей распределения намагниченности до и после намагничивания в таких слоистых нанокомпозитов, а в экспериментальном плане элементарные акты перемагничивания остаются совершенно неизученными из-за невозможности наблюдать их в режиме реального времени традиционными методами. Возможность решения задачи такого исследования может быть реализована с разработкой и использованием для этой цели метода магнитооптической индикаторной пленки (МОИП).

Этот метод впервые использовался для визуализации магнитного потока в высокотемпературных сверхпроводниках и был развит в рамках данной работы для прямого экспериментального изучения сверхтонких магнитных структур. Визуализация магнитных полей рассеяния образца осуществлялась с помощью магнитооптической индикаторной пленки, помещенной непосредственно на поверхность образца. Линейно-поляризованный свет падал перпендикулярно поверхности индикатора, проходил сквозь него и отражаясь от алюминиевого зеркала, нанесенного на нижнюю поверхность индикатора, попадал либо на окуляры микроскопа для визуального наблюдения МО портрета образца, либо на CCD-камеру для его регистрации и дальнейшей компьютерной обработки. Используемые в эксперименте индикаторы в своей основе представляли висмут-содержащие эпитаксиальные пленки иттриево-железистого граната (YBiGd)3(GaFe)5O12 толщиной 1/5мкм, выращенные на подложках из гадолиний-галлиевого граната Gd3Ga5O12 (0,3/0,5мм), с напыленным алюминиевым зеркалом толщиной 0,2/0,5мкм.

Под действием нормальной компоненты Н( локальных полей рассеяния образца намагниченность гранатовой пленки отклонялась из плоскости, обусловливая, благодаря большой величине эффекта Фарадея в этой пленке, соответствующее вращение плоскости поляризации света, проходящего сквозь нее. При слегка раскрещенных николях, в зависимости от величины и знака Н(, на МО изображении образца формировались локальные темные и (или) светлые участки с соответствующими вариациями интенсивности. Таким образом, оказалось возможным оценить характеристики полей рассеяния от магнитных зарядов образца, формирующихся на его краях, доменных границах и других магнитных дефектах. В случаях слабого МО сигнала, детали доменной структуры были изучены с использованием компьютерной обработки изображений.

В §3.3 представлены результаты прямого экспериментального изучения элементарных актов перемагничивания в тонких ферромагнитных пленках, обменно-связанных с антиферромагнетиком, в зависимости от их реальной и дефектной структуры. Для исследования использовались эпитаксиальные гетерофазные NiO(500A)/NiFe(100A) и гомофазные (без буферного слоя NiO) NiFe(500 A) пленки, выращеные в одинаковых условиях йонно-лучевым распылением как на монокристалле MgO(001), так и на поликристаллической подложке Si. В процессе нанесения пленок в них постоянным полем индуцировались одноосная анизотропия в NiFe и однонаправленная анизотропии в NiO/NiFe. Распределение намагниченности и процессы перемагничивания были исследованы в двухслойных пленках, в которых индуцированные оси анизотропии были ориентированы как вдоль направления <110> в подложке, так и вдоль <100>.

загрузка...