Părtinire de schimb

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 13 martie 2013; verificările necesită 8 modificări .

Prejudecățile de schimb (sau: anizotropia de schimb , anizotropia de interacțiune de schimb , anizotropia de schimb unidirecțională ) este o caracteristică a buclelor de histerezis de inversare a magnetizării materialelor magnetice, manifestată în locația asimetrică a buclei față de axa y . Se observă în materiale magnetice stratificate și nanostructurate care conțin o fază antiferomagnetică feromagnetică moale magnetic și foarte anizotropă .

Natura efectului

Deplasarea buclei de histerezis în materialele stratificate se explică de obicei prin faptul că componenta moale magnetic este influențată de una dintre subrețelele magnetice ale componentei antiferomagnetice. Acest efect se numește părtinire de schimb sau fixare.

Istoricul descoperirilor

Efectul de polarizare a schimbului, cunoscut și sub numele de anizotropie unidirecțională, a fost descoperit în 1956 de Meiklejohn și Bean în timp ce studiau particulele de cobalt încorporate în oxidul antiferomagnetic CoO [1] [2] [3] . De la bun început s-a ajuns la concluzia că deplasarea buclei de histerezis este cauzată de prezența unui strat de oxid care înconjoară particulele de cobalt. Aceasta a însemnat că interacțiunea magnetică prin interfața lor comună a fost de o importanță decisivă în crearea efectului. După ce a fost recunoscut ca un fenomen exclusiv de interfață, distorsiunea de schimb a început să fie investigată în principal pe pelicule subțiri constând în contactul cu straturi feromagnetice (FM) și antiferomagnetice (AFM). În prezent, însă, structurile pregătite litografic, precum și particulele feromagnetice și antiferomagnetice, sunt din nou studiate activ.


Modele de efecte de bază

Primul și cel mai simplu model pentru a explica efectul a fost teoria propusă de Meiklejohn și Bean [2] . În munca lor, ei au investigat particulele de cobalt sferice cu un singur domeniu acoperite cu CoO antiferomagnetic. Aceste particule aveau anizotropie uniaxială, iar axa lor de magnetizare ușoară (EAA) a fost aliniată paralel cu câmpul magnetic aplicat. Ei au presupus că configurația de spin a antiferomagnetului la interfață este complet necompensată și rămâne aliniată de-a lungul EMA a acestuia datorită anizotropiei semnificative a AFM și cuplajului de schimb mai slab dintre antiferomagnet și feromagnet. Un astfel de mecanism de polarizare a schimbului duce la o deplasare a buclei de histerezis cu o cantitate H ex , care este cu două ordine de mărime mai mare decât valorile observate în filmele policristaline cu granulație fină, deși această teorie descrie destul de bine alte sisteme.

Cronologic, cel de-al doilea model care explică efectul de părtinire a schimbului este teoria lui Neel [4] . Néel a propus un model al unei structuri de spin AFM necompensat la interfață. Cu toate acestea, el a subliniat că această structură de spin este supusă deformării și suferă modificări ireversibile în timpul rotației magnetizării stratului FM. În consecință, câmpul de polarizare de schimb H ex și forța coercitivă H c sunt determinate de modificările AFM în timpul inversării magnetizării stratului feromagnetic. Conform teoriei sale, H c are două contribuții: o componentă feromagnetică internă și un termen care va fi proporțional cu modificările ireversibile ale magnetizării în AFM. De asemenea, Neel a considerat că pentru interfețele brute reale, ambele subrețele ale antiferomagnetului ar trebui să fie prezentate în regiunea interfeței, ceea ce duce la compensarea parțială a momentelor AFM. In cazul AFM-urilor policristaline, numarul de spini la interfata fiecarui granu antiferomagnet poate avea o distributie statistica, ceea ce duce la fluctuatii in momentele fiecarui granu AFM. Această teorie nu este, de asemenea, potrivită pentru calcularea valorilor lui H ex .

Cea mai de succes teorie a distorsiunii de schimb poate fi considerată modelul lui Fulcomer și Carap [5] [6] . Oamenii de știință au efectuat atât studii experimentale, cât și teoretice ale distorsiunii de schimb în filmele de permalloy, în care nichelul a fost oxidat treptat în timpul tratamentului cu vapori acizi cu formarea de granule izolate APM pe suprafața filmului. Ei au observat modificări progresive ale prejudecății de schimb în astfel de sisteme, asociate atât cu o creștere a mărimii granulelor, cât și cu o creștere a numărului de boabe ale materialului AFM. Modelarea cantitativă bazată pe modelul de rotație a granulelor similar cu sistemul Stoner-Wohlfarth este în acord cu observațiile experimentale. În special, Falcomer și Carap au prezis că un câmp de schimb care acționează asupra unui AFM de către un feromagnet ar putea duce la schimbări activate termic în orientarea subrețelelor AFM, ceea ce, la rândul său, duce la o modificare a valorii lui H ex . O caracteristică importantă a acestei teorii este că au fost luate în considerare cazuri cu o răspândire mare în dimensiune și formă a boabelor AFM. Astfel, anizotropia și energiile de cuplare de schimb au variat într-o gamă largă. Distribuția mărimii boabelor a fost luată astfel încât toate valorile să fie la fel de probabile până la un anumit maxim și nu existau boabe mai mari. Ei au considerat că este important să se ia în considerare distribuția mărimii granulelor, dar forma distribuției nu a fost critică. Acest model a fost capabil să prezică dependențele de temperatură ale H ex și H c pe o gamă largă de temperaturi, inclusiv regiuni peste temperatura Néel, așa cum este raportat în [7] . În general, această teorie a devenit baza pentru alte modele de granule (granule) bazate pe efectele fluctuațiilor termice.

Teoriile mai moderne ale polarizării schimbului magnetic includ modelele lui Mauri [8] , Malozemov [9] , Stiles și McMichael [10] , Stamps [11] , Novak [12] și alții.Una dintre teoriile comportamentului temperaturii părtinirea schimbului a fost propusă de O'Grady în 2009 [13] .

Deși efectul de polarizare a schimbului a fost descoperit la mijlocul secolului al XX-lea, încă nu există o teorie definitivă care să poată explica deplasarea buclei de histerezis ( H ex ) și valoarea crescută a forței coercitive ( H c ) (definită ca jumătate. lățimea buclei). Unul dintre motivele pentru care nu a fost dezvoltată o teorie clară și cuprinzătoare este că gama de exemplare studiate până în prezent este foarte diversă. Astfel de mostre includ nanoparticule, unde, evident, interfața AFM/FM nu este plată [14] , filme crescute epitaxial [15] , în care interfața este aproape perfect plată, și filme policristaline depuse [16] , unde interfața are o rugozitate semnificativă, care poate duce atât la dezordine structurală, cât și la dezordine magnetică. Este interesant de remarcat faptul că cea mai mare influență de schimb la temperatura camerei se observă în filmele policristaline (granulare) pulverizate și aceste materiale sunt utilizate pentru aplicații în dispozitive precum capete de înregistrare magnetice și aplicații MRAM.

Note

  1. W. H. Meiklejohn. Anizotropie de schimb — O revizuire  //  Journal of Applied Physics. - 1962-03. — Vol. 33 , iss. 3 . — P. 1328–1335 . — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550 . - doi : 10.1063/1.1728716 . Arhivat din original pe 19 octombrie 2021.
  2. ↑ 1 2 W. H. Meiklejohn, C. P. Bean. Nouă anizotropie magnetică  //  Revizuire fizică. - 1956-06-01. — Vol. 102 , iss. 5 . - P. 1413-1414 . — ISSN 0031-899X . - doi : 10.1103/PhysRev.102.1413 .
  3. W.H. Meiklejohn, C.P. Bean. Nouă anizotropie magnetică  //  Revizuire fizică. - 1957-02-01. — Vol. 105 , iss. 3 . — P. 904–913 . — ISSN 0031-899X . - doi : 10.1103/PhysRev.105.904 .
  4. Louis Neel. Étude théorique du couplage ferro-antiferromagnétique dans les couches minces  // Annales de Physique. - 1967. - T. 14 , nr. 2 . — S. 61–80 . — ISSN 1286-4838 0003-4169, 1286-4838 . - doi : 10.1051/anphys/19671402061 .
  5. E. Fulcomer, S. H. Charap. Model de efecte secundare fluctuației termice pentru unele sisteme cu cuplare feromagnetic-antiferomagnetică  //  Journal of Applied Physics. — 1972-10. — Vol. 43 , iss. 10 . — P. 4190–4199 . — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550 . - doi : 10.1063/1.1660894 . Arhivat din original pe 19 octombrie 2021.
  6. E. Fulcomer, S. H. Charap. Dependența de temperatură și frecvență a efectelor anizotropiei schimbului în filmele NiFe oxidate  (engleză)  // Journal of Applied Physics. — 1972-10. — Vol. 43 , iss. 10 . — P. 4184–4190 . — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550 . - doi : 10.1063/1.1660893 .
  7. M. Grimsditch, A. Hoffmann, P. Vavassori, Hongtao Shi, D. Lederman. Anizotropii induse de schimb la interfețele ferromagnetic-antiferromagnetice deasupra și sub temperatura Néel  //  Physical Review Letters. - 24-06-2003. — Vol. 90 , iss. 25 . — P. 257201 . - ISSN 1079-7114 0031-9007, 1079-7114 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.90.257201 .
  8. D. Mauri, H. C. Siegmann, PS Bagus, E. Kay. Model simplu pentru schimbul de filme feromagnetice subțiri cuplate la un substrat antiferomagnetic  //  Journal of Applied Physics. — 1987-10. — Vol. 62 , iss. 7 . — P. 3047–3049 . — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550 . - doi : 10.1063/1.339367 . Arhivat din original pe 19 octombrie 2021.
  9. A. P. Malozemoff. Model în câmp aleatoriu al anizotropiei de schimb la interfețele feromagnetice-antiferomagnetice brute  (engleză)  // Physical Review B. - 1987-03-01. — Vol. 35 , iss. 7 . — P. 3679–3682 . — ISSN 0163-1829 . - doi : 10.1103/PhysRevB.35.3679 .
  10. M.D. Stiles, R.D. McMichael. Model pentru schimbul de părtinire în bistraturi policristaline feromagnet-antiferomagnet  (engleză)  // Physical Review B. - 1999-02-01. — Vol. 59 , iss. 5 . - P. 3722-3733 . - ISSN 1095-3795 0163-1829, 1095-3795 . - doi : 10.1103/PhysRevB.59.3722 .
  11. Ștampile RL. Mecanisme de părtinire a schimbului  // Journal of Physics D: Applied Physics. — 07-12-2000. - T. 33 , nr. 23 . — S. R247–R268 . — ISSN 1361-6463 0022-3727, 1361-6463 . - doi : 10.1088/0022-3727/33/23/201 . Arhivat din original pe 10 octombrie 2021.
  12. U. Nowak, K. D. Usadel, J. Keller, P. Miltényi, B. Beschoten. Modelul de stat al domeniului pentru părtinirea schimbului. I. Teorie  (engleză)  // Revista fizică B. - 2002-07-17. — Vol. 66 , iss. 1 . — P. 014430 . - ISSN 1095-3795 0163-1829, 1095-3795 . - doi : 10.1103/PhysRevB.66.014430 .
  13. K. O'Grady, L.E. Fernandez-Outon, G. Vallejo-Fernandez. O nouă paradigmă pentru părtinirea schimbului în filmele subțiri policristaline  (engleză)  // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2010-04. — Vol. 322 , iss. 8 . — P. 883–899 . - doi : 10.1016/j.jmmm.2009.12.011 . Arhivat din original pe 21 ianuarie 2022.
  14. J Sort, V Langlais, S Doppiu, B Dieny, S Suriñach. Efecte de polarizare a schimbului în nanoparticulele de Fe încorporate într-o matrice Cr 2 O 3 antiferomagnetică  // Nanotehnologie. — 01-04-2004. - T. 15 , nr. 4 . — S. S211–S214 . — ISSN 1361-6528 0957-4484, 1361-6528 . - doi : 10.1088/0957-4484/15/4/017 .
  15. L. Wee, R. L. Stamps, L. Malkinski, Z. Celinski, D. Skrzypek. Antrenamentul termic al părtinirii schimbului în Fe epitaxial / KNiF 3  (engleză)  // Revista fizică B. - 29-04-2004. — Vol. 69 , iss. 13 . - P. 134425 . — ISSN 1550-235X 1098-0121, 1550-235X . - doi : 10.1103/PhysRevB.69.134425 .
  16. H. Brown, E. Dan Dahlberg, C. Hou. Măsurători de părtinire a schimbului de CoFe/IrMn  //  Journal of Applied Physics. — 2001-06. — Vol. 89 , iss. 11 . — P. 7543–7545 . — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550 . - doi : 10.1063/1.1358832 . Arhivat din original pe 19 octombrie 2021.