Физики научились управлять фазовым составом «градиентного» магнитного материала
Ученые Казанского федерального университета (КФУ) в сотрудничестве с коллегами из Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского ФИЦ «КазНЦ РАН» и Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий Московского физико-технического института исследовали возможность управления спектром стоячих спиновых волн (ССВ) в ферромагнитных пленках сплава Pd-Fe с переменным составом по толщине.
Изучению спиновых волн посвящен раздел физики, называемый магноникой. В магнонных устройствах информация переносится не носителями заряда — электронами или «дырками», а магнонами — квантами спиновых волн. Ученые считают, что имеющиеся наработки в этой области позволят создать более энергоэффективные, по сравнению с полупроводниковыми, микропроцессоры, а также новые типы аккумуляторов, запоминающих устройств, магнитных устройств записи.
В ходе данного исследования авторы увидели две принципиально новые важные возможности.
«Во-первых, это аккуратное и гибкое управление составом «градиентного» магнитного материала, который оказывает значительное влияние на спектр магнонов. Под градиентом подразумевается изменение свойств вдоль определенного направления в пространстве. Во-вторых, моделирование магнитных свойств, которое описывает его спин-волновой спектр с высокой точностью при всех температурах эксперимента», – сообщил один из участников исследования, старший научный сотрудник лаборатории «Гетероструктуры для посткремниевой электроники» Института физики КФУ Игорь Янилкин.
Публикация посвящена подробному исследованию резонансного спектра ССВ в неоднородных пленках при температурах от 10 градусов Кельвина до комнатной температуры. Ключевой вывод заключается в том, что в градиентной по толщине пленке Pd-Fe в каждом локальном подслое будет своя температура ферромагнитного перехода (температура Кюри), определяемая локальной концентрацией железа в сплаве: где меньше железа, там ниже эта температура. Следовательно, при определенной температуре, подслой с меньшей концентрацией железа становится парамагнитным.
При дальнейшем увеличении температуры парамагнитная область будет увеличиваться за счет уменьшения толщины ферромагнитной части пленки до тех пор, пока вся пленка не станет парамагнитной. В зависимости от сложности профиля состава по толщине, таких областей может быть несколько, они могут появляться при различных температурах, сливаться друг с другом и т.д. При этом, все эти процессы изменения фазового состава сильно влияют на спектр стоячих спиновых волн, которые могут возникать только в ферромагнитной части пленки. Таким образом, спектром ССВ можно эффективно управлять с помощью изменения температуры образца.
«До начала исследований мы, конечно, догадывались, что температура должна влиять на спектр ССВ. Однако, мы даже не предполагали, что во всем температурном диапазоне результаты наших измерений будут настолько хорошо описываться полуклассическим подходом, основанным на уравнении Ландау-Лифшица. Это означает, что можно заранее предсказывать спектр стоячих спиновых волн для любого технологически заданного профиля концентрации железа в ферромагнитной пленке сплава Pd-Fe при любой температуре, а значит, температура становится дополнительным инструментом для управления спектром спиновых волн в широком диапазоне», – подчеркнул еще один автор работы, ведущий научный сотрудник Института физики КФУ Роман Юсупов.
Следующий значительный шаг для развития данного направления, по мнению ученых, — создание наноструктур из «градиентных» материалов, в которых можно будет индуцировать бегущие спиновые волны, необходимые для передачи и обработки информации.
Исследование проведено при поддержке программы «Приоритет-2030» и в рамках мегагранта Минобрнауки России.