WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2 Динамическое перемагничивание и бистабильные состояния в антиферромагнитных многослойных структурах © А.М. Шутый, Д.И. Семенцов Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия E-mail: shuty@mail.ru (Поступила в Редакцию 6 мая 2003 г.) В поперечном переменном поле исследовано динамическое поведение намагниченности в системе магнитных пленок с кубической кристаллографической анизотропией, связанных межслойным обменным взаимодействием антиферромагнитного типа. Обнаружен ориентационный фазовый переход при изменении частоты и амплитуды высокочастотного поля. Выявлена частотная область, в которой реализуется несколько стационарных прецессионных режимов магнитных моментов и границы которой эффективно управляются как величиной подмагничивающего поля, так и амплитудой СВЧ поля.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования России (проект № РД 02-1.2-72).

1. Уникальные статические и динамические свой- ционных фазовых переходов под воздействием СВЧ ства мультислойных периодичеcких структур, состоя- поля антиферромагнитных мультислойных структур с сильным обменным взаимодействием и кубической крищих из тонких слоев магнитного металла, которые разделены немагнитными металлическими прослойка- сталографической анизотропией.

2. Будем считать, что исследуемая структура состоит ми [1–4], определяются, прежде всего, характером связи из достаточно большого числа (n 1) слоев магнитного магнитных моментов, обусловленной сильным косвенметалла с намагниченностью Mi и толщиной di, где ным обменным взаимодействием и приводящей к ферi — номер магнитного слоя, разделенных немагнитными ромагнитному, антиферромагнитному либо неколлинепрослойками, толщина которых отвечает антиферроарному упорядочению магнитных моментов соседних магнитному типу обменной связи между магнитными слоев [5,6]. Особый интерес представляют свойства слоями. В соответствии с имеющимися экспериментальподобных структур вблизи критических значений поными данными, для структур подобного типа, например лей, определяющих ориентационные фазовые переходы.

(Fe/Cr)n [10], магнитная анизотропия магнитных слоев В окрестности таких фазовых переходов создаются наискладывается из одноосной наведенной анизотропии более благоприятные условия для возбуждения слабым типа „легкая ось“ и кристаллографической кубической высокочастотным полем различных динамических режианизотропии. Кристаллографические оси [100] и [010] мов, чувствительных к малым изменениям параметров лежат в клоскости слоев, а ось легкого намагничивания системы и управляющих полей. Для реализации многонаведенной анизотропии ориентирована перпендикуляробразия равновесных ориентационных состояний и динано слоям. В этом случае свободная энергия системы в мических режимов наиболее перспективными являются расчете на единицу площади дается выражением структуры с антиферромагнитным типом связи [7–9].

Одним из интересных явлений с точки зрения прак- n K1i тического использования подобных структур является E = di -HMi + (sin2 2i + cos4 i sin2 2i) нелинейный эффект их динамического перемагничива- i=ния высокочастотным полем. Ранее нами показано [9], K2i + sin2 2i cos2 i sin2 2i что в пленках с одноосной плоскостной анизотропией и диполь-дипольной межслойной связью вблизи значения n подмагничивающего поля, при котором противоположно MiMi++(Kui - 2M2) cos2 i + J, (1) i направленное состояние магнитных моментов перестаMiMi+i=ет быть устойчивым, существует зависящее от частоты критическое значение амплитуды СВЧ поля hc().

где J — константа билинейной связи, обусловленной При h < hc имеет место прецессия с противоположно косвенным обменным взаимодействием магнитных монаправленными осями, а при h hc под действием ментов ближайших слоев, зависящая в общем случае СВЧ поля происходит динамическое перемагничивание от толщины, материала и структурных характеристик системы и в зависимости от величины константы свя- прослойки; K1,2i — первая и вторая константы кубизи устанавливается прецессионное движение магнитных ческой анизотропии; Kui — константа ростовой анимоментов с сонаправленными, либо с располагающи- зотропии; H — статическое подмагничивающее поле;

мися под углом осями прецессии. В настоящей работе i — отсчитываемый от оси [100] азимутальный угол, исследуется динамическое поведение вблизи ориента- определяющий ориентацию магнитного момента соот272 А.М. Шутый, Д.И. Семенцов ветствующих пленок; i —угол выхода вектора Mi из константы анизотропии K1 = 4.6 · 105 erg/cm3, K2 = плоскости пленки. Все магнитные слои будем считать = 1.5 · 105 erg/cm3, Ku = 2.06 · 106 erg/cm3, толщина d = идентичными, т. е. Mi = M, di = d, Kui = Ku, K1,2i = K1,2. = 21.2 · 10-8 cm, = 5· 107 s-1, = 1.76 · 107 (Oe · s)-1;

Константу связи J считаем положительной, что долж- параметры слоев хрома явно в (1) не входят, но опредено обеспечивать антиферромагнитную связь магнитных ляют величину константы связи J [3]. Для исследуемых моментов в соседних слоях, т. е. противоположность пленок амплитуда колебаний полярного угла всегда их направлений в отсутствии подмагничивающего позначительно меньше, чем азимутального.

ля. В этом случае вся совокупность магнитных слоев 3. Анализ условий равновесия (2) показывает, что в разбивается на две подсистемы ( j = 1, 2) с идентичпредставленных системах изменение величины подмагным поведением слоев каждой из подсистем. С учетом ничивающего поля сопровождается петлями ориентацибольших размагничивающих полей для реализуемых онного гистерезиса и связанными с ними состоянияна практике структур (4M 2Ku/M, JM) в случае ми бистабильности. На рис. 1 приведены зависимости плоскостного подмагничивающего поля H магнитные равновесного азимутального угла магнитного момента моменты лежат в плоскости слоев, поэтому равновесные одной из подсистем магнитных слоев 01 от величиуглы 0 j = 0. Для определения равновесных азимуны подмагничивающего поля H, полученные для трех тальных углов 0 j(H) используем условия равновесия значений константы связи J = 0.05, 0.132 и 0.2 erg/cmE/j = 0 и 2E/2 > 0, приводящие с учетом (1) к j (кривые 1–3). При начальной ориентации магнитных системе уравнений моментов 01 =, 02 = 0 и подмагничивающего поля H = 0 в интервале величины поля от H = 0 до H = Hc, 2HM sin(0 j - H) +K1 sin 40 j определяемого выражением - 2Jsin(0 j - 03- j) =0, Hc = K1(J+ K1), (6) HM cos(0 j - H) +2K1 cos 40 j M - Jcos(0 j - 03- j) > 0, j = 1, 2, (2) равновесным остается исходное состояние. По достижении полем указанного значения происходит скачкообгде H — азимутальный угол, отсчитываемый от разный ориентационный фазовый переход. При малой оси [100] и определяющий плоскостное направление константе связи J < Jca (кривая 1) имеет место 180поля H; J = 2J/d.

градусное перемагничивание первой магнитной подсиУравнения движения для векторов намагниченности стемы и сохранение азимутального угла второй подсикаждого из слоев Mi выбираем в форме Ландау– стемы. При достаточно большой константе связи J > Jca Лифшица, которые в сферической системе координат угловое расталкивание магнитных моментов вызывает запишем следующим образом:

также изменение направления намагниченности пленок E 1 E с j = 2, причем 02(Hc) =-01(Hc).

jMd cos i = +, j M cos j j Дальнейшее увеличение поля приводит к уменьшению угла между векторами намагниченности соседних пле E 1 E jMd = -, (3) M j cos j j где — гиромагнитное отношение, — параметры затухания [11]. В линейном приближении по малым отклонениям от положения равновесия (j = j - 0 j и j) магнитная высокочастотная восприимчивость системы может быть представлена в виде суммы = 1 + 2, где восприимчивости отдельных подсистем имеют вид Mj = (D cos 03- j - cos 0 j). (4) 3- j - D1 Здесь параметры D = Jcos(01 - 02), =(0 j - j + 4i)/42 - D, где резонансные частоты изолированных магнитных подсистем — 0 j = 42[HM cos(0 j - H) +2K1 cos 40 j]. (5) При численном анализе будем использовать параметры, Рис. 1. Полевые зависимости равновесного угла 01 при плосотвечающие параметрам реальной структуры (Fe/Cr)n.

костном 180- и 90-градусном перемагничивании. Константа Для слоев железа намагниченность M = 1620 G, связи J, erg/cm2: 1 — 0.05, 2 — 0.132, 3 —0.2.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Динамическое перемагничивание и бистабильные состояния в антиферромагнитных многослойных... нок 0 = 01 - 02. При достижении полем еще одного критического значения 4 J+ KH = Ha = (J+ K1)(7) 3M 6Kэтот угол достигает минимальной величины 0 = 2a(J), уменьшающейся с ростом константы связи, после чего происходит второй фазовый переход, в результате которого реализуется состояние с сонаправленной с полем ориентацией магнитных моментов.

Минимальный угол между магнитными моментами при неколлинеарной их конфигурации находится из системы (2) с учетом (7) J+ Ka = arccos. (8) 6KВведенное выше критическое значение константы связи соответствует равенству полей Hc = Ha и определяется выражением 3 6 - Jca = K1. (9) При уменьшении подмагничивающего поля от значений H > Ha, для которых исходным является состояние с сонаправленной ориентацией магнитных моментов пленок, оно сохраняется вплоть до значений поля Hb = (J- K1). (10) M При H = Hb происходит обратный ориентационный фазовый переход, сопровождающийся расхождением векторов M1 и M2 и скачкообразным достижением ими равновесных углов 01(Hb) =-02(Hb). Дальнейшее Рис. 2. Частотные зависимости магнитной высокочастотной уменьшение подмагничивающего поля приводит к плаввосприимчивости системы при h = 0.2, 0.4, 1.0Oe (a, b, c), ному увеличению угла между намагниченностями и J = 0.132 erg/cm2 и H = 1093.2Oe.

при H = 0 этот угол вновь становится равным.

Однако в отдельности каждый из магнитных моментов не возвращается в исходное состояние, а переходит в конфигурацию с углами 01 = /2, 02 = -/2.

4. Вблизи критических значений подмагничивающих В случае плоскостного 90-градусного перемагничиполей, соответствующих ориентационным фазовым певания, имеющего место, когда в исходном состоянии реходам, система с антиферромагнитным типом свя01 = -02 = /2 и H = 0, увеличение поля до значези наиболее чувствительна к воздействию высокочания Ha приводит к постепенному сближению магнитных стотного поля. В рассматриваемых системах с кубимоментов. При H = Ha, как и в рассмотренном выше ческой кристаллографической анизотропией становитслучае, происходит ориентационный фазовый переход ся возможным особое сочетание параметров структув состояние с сонаправленной ориентацией магнитных ры, когда при J Jca близкими по величине оказымоментов. При уменьшении подмагничивающего поля ваются два критических значения поля Ha и Hc. На неколлинеарная конфигурация восстанавливается в ре- рис. 2 для значения константы связи J = 0.132 erg/cm2, зультате обратного фазового перехода, когда поле дости- близкого к критическому значению Jca Jcad/гает значения Hb. Таким образом, при малых константах 0.131 erg/cm2, представлены частотные зависимости связи имеет место ориентационная петля гистерезиса, магнитной высокочастотной восприимчивости системы которая сужается при увеличении J. В случае же =(M1 cos 1m + M2 cos 2m)/h, где jm —амплитуды больших констант связи Hb = Ha и петля гистерезиса азимутальных углов стационарных колебаний магнитотсутствует. ных моментов соответствующих слоев. Указанные зави6 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 274 А.М. Шутый, Д.И. Семенцов симости получены для амплитуд СВЧ поля h = 0.2, 0.4 происходит динамическое перемагничивание в одно из и 1.0 Oe (a, b, c соответственно) и величины подмагничи- двух ориентационных состояний динамической биставающего поля H = 1093.2 Oe, выбранной близкой к кри- бильности. При еще большем значении h динамическое тическим значениям Hc 1093.4 и Ha 1103.2 Oe. При перемаганичивание отсутствует только в зарезонансной данных параметрах структуры в отсутствии СВЧ поля (относительно антиферромагнитной прецессии с углами реализуется равновесное состояние с противоположным 01 =, 02 = 0) частотной области (рис. 2, c).

направлением магнитных моментов пленок с углами Частота c сильно зависит также от величины под01 = 0 и 02 =. Штриховые кривые здесь соответ- магничивающего поля. С удалением H от критического ствуют линеаризованным решениям, построенным на значения Hc частота c уменьшается. Так, в случае основе (4) для равновесных ориентаций 01 = 02 = H = 1093 Oe при h = 1 Oe область динамической биста(кривая 1), 01 =, 02 = 0 (кривая 2) и симметричной бильности не доходит до резонанса с параллельными неколлинеарной конфигурации (кривая 3). Из приве- осями прецессии и полностью охватывает лишь резонанс денных зависимостей видно, что при частотах, ниже прецессионного движения с неколлинеарными осями.

некоторого значения c, прецессия магнитных моментов При этом вблизи резонанса с противоположно направс исходными противоположно ориентированными осями ленными осями имеется частотная область динамичеоказывается неустойчивой и происходит динамическое ской бистабильности, в несколько раз более узкая, чем перемагничивание системы. В результате устанавливасоответствующая область на рис. 2, b. При реализации ется прецессия либо с сонаправленными осями, либо с осями, ориентированными под углом друг у другу в соответствии с отвечающей данному подмагничивающему полю неколлинеарной конфигурацией магнитных моментов пленок. Таким обрзаом, при

Критической частотой и, следовательно, частотным диапазоном состояния динамической бистабильности можно легко управлять, так как c сильно зависит от амплитуды СВЧ поля. Увеличение h приводит к увеличению частоты c и расширению в сторону высоких частот области динамической бистабильности. Так, в случае h = 0.2Oe (рис. 2, a) область динамической бистабильности охватывает только резонанс, сответствующий прецессии вокруг симметричных неколлинеарно ориентированных осей; в случае h = 0.4Oe (рис. 2, b) критическая частота c близка к резонансной частоте прецессионого движения магнитных моментов вокруг сонаправленных осей; а в случае h = 1Oe (рис. 2, c) область динамической бистабильности полностью охватывает резонанс как с неколлинеарными, так и с сонаправленными осями.

При >c динамического перемагничивания системы не происходит, и прецессионное движение устанавливается вокруг противоположно направленных осей.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.