Кіріспе
Айырбастау бейімділігі немесе алмасу анизотропиясы магниттік материалдардың екі қабатты (немесе көп қабатты) құрылымдарында пайда болады, онда антиферромагниттік жұқа пленканың берік магниттелу қасиеті ферромагниттік пленканың әлсіз магниттелу қисығын ығыстырады. Айырбастау құбылысы магниттік жазу технологиясында зор маңызға ие, себебі ол қатты дискілердің оқу бастарының күйін олардың ең жоғары сезімталдық нүктесінде бекітуге мүмкіндік береді; осыдан келіп "бекіту" термині пайда болған.
Негізгі ғылым
Физикалық құбылыстың негізі – антиферромагнит пен ферромагнит арасындағы алмасу өзара әрекеттесуі. Антиферромагниттерде жалпы магниттелудің шамасы аз немесе жоқ болғандықтан, олардың спин бағыты сыртқы магнит өрісіне нашар сезімтал. Антиферромагнитке күшті алмаса байланысқан жұмсақ ферромагниттік қабықшаның интерфейстік спиндері бекітіледі. Ферромагниттің магниттік моментын кері қайтару антиферромагниттік қабықшадағы Нель қабырғасын құруға қажетті энергияға сәйкес келетін қосымша энергетикалық шығындарға алып келеді. Қосылған энергия мүшесі ферромагниттің ауысу өрісінің өзгерісін білдіреді. Сондықтан алмасумен бейтараптандырылған ферромагниттік қабықшаның магниттелу қисызы қалыпты ферромагниттің қисызына ұқсас, бірақ H=0 осінен Hb шамасына қарай ығысқан. Жақсы зерттелген көптеген ферромагнит/антиферромагнит екі қабаттарында ферромагниттің Кюри температурасы антиферромагниттің Нель температурасынан (TN) жоғары. Бұл теңсіздік алмасу өрісінің бағытын қолданылатын магнит өрісінің қатысуымен TN арқылы салқындату арқылы анықтауға болады дегенді білдіреді. Магниттік реттелген ферромагниттің моменты антиферромагнитке тиімді өріс түсіреді, симметрияны бұзады және домендердің қалыптасуына әсер етеді. Алмасу әсері әртүрлі магниттік фазалар арасындағы интерфейсте қалыптасатын ферромагниттік бір бағытты анизотропияға байланысты. Әдетте, жоғары температурадан өріс салқындату процесі әртүрлі алмасу жүйелерінде ферромагниттік бір бағытты анизотропияны алу үшін қолданылады. 2011 жылы магниттелмеген күйден нөлдік өрісте салқындатудан кейін үлкен алмасу байқалды, бұл бастапқы магниттелу процесінде әртүрлі магниттік фазалар арасындағы жаңа интерфейске байланысты болды. Алмасу анизотропиясы жұқа антиферромагниттік қабықшалардағы домен қабырғаларының динамикасын зерттеу қиын болғандықтан ұзақ уақыт бойы жақсы түсінілмеді. Мәселеге қарапайым көзқарас бірлік ауданына энергия үшін келесі өрнекті ұсынады: мұнда n – бірлік ауданына интерфейстік спиндік өзара әрекеттесулер саны, Jex – интерфейстегі алмасу тұрақтысы, S – спиндік вектор, M – магниттелу, t – қабықшаның қалыңдығы және H – сыртқы өріс. F индексі ферромагниттің, ал AF – антиферромагниттің қасиеттерін сипаттайды. Бұл өрнекте антиферромагниттің болуына тәуелсіз магнитокристалдық анизотропия ескерілмейді. Ферромагниттің ауысу өрісінде бірінші мүшемен көрсетілген бекіту энергиясы және екінші мүшемен көрсетілген Земан дипольдік байланысы дәл теңеседі. Одан кейін теңдеу алмасу ығысы Hb келесі өрнекпен беріледі деп болжайды. Көптеген тәжірибелік нәтижелер осы қарапайым модельге қайшы келеді. Мысалы, өлшенген Hb мәндерінің шамасы параметрлердің қолайлы мәндері үшін теңдеуде болжалғаннан 100 есе аз. Гистерезистік ығысудың мөлшері Hb антиферромагнит жазықтығындағы өтелмеген спиндердің тығыздығы n-мен байланысты емес. Сонымен қатар, алмасу ығысуы эпитаксиалды екі қабаттарда поликристалликалық екі қабаттарға қарағанда кішірек болады, бұл ақаулардың маңызды рөл атқаратынын көрсетеді. Соңғы жылдары синхротрон сәулеленуіне негізделген элементтік магниттік сызықтық дихроизм эксперименттері арқылы негізгі түсінікте прогресс жасалды, олар антиферромагниттік домендерді бейнелеуге және динамиканы зерттейтін жиілікке тәуелді магниттік сезімталдықты өлшеуге мүмкіндік береді. Fe/FeF2 және Fe/MnF2 модельдік жүйелеріндегі эксперименттер ерекше нәтижелі болды.
where n is the number of interfacial spins interactions per unit area, Jex is the exchange constant at the interface, S refers to the spin vector, M refers to the magnetization, t refers to film thickness and H is the external field. The subscript F describes the properties of the ferromagnet and AF to the antiferromagnet. The expression omits magnetocrystalline anisotropy, which is unaffected by the presence of the antiferromagnet. At the switching field of the ferromagnet, the pinning energy represented by the first term and the Zeeman dipole coupling represented by the second term will exactly balance. The equation then predicts that the exchange bias shift Hb will be given by the expression
Many experimental findings regarding the exchange bias contradict this simple model. For example, the magnitude of measured Hb values is typically 100 times less than that predicted by the equation for reasonable values of the parameters. The amount of hysteresis shift Hb is not correlated with the density n of uncompensated spins in the plane of the antiferromagnet that appears at the interface. In addition, the exchange bias effect tends to be smaller in epitaxial bilayers than in polycrystalline ones, suggesting an important role for defects. In recent years progress in fundamental understanding has been made via synchrotron radiation based element specific magnetic linear dichroism experiments that can image antiferromagnetic domains and frequency dependent magnetic susceptibility measurements that can probe the dynamics. Experiments on the Fe/FeF2 and Fe/MnF2 model systems have been particularly fruitful.
Технологиялық әсер
Айырбастау қисықтығы бастапқыда анизотроптық магниттелуге қарсылық (АМҚ) әсеріне негізделген оқу басындағы жұмсақ ферромагниттік қабаттардың магниттелуін тұрақтандыру үшін қолданылды. Тұрақтандырусыз, бас магниттік доменнің күйі болжамсыз болуы мүмкін, бұл сенімділік мәселелеріне алып келуі мүмкін. Қазіргі уақытта айырбастау қисықтығы гигантты магниттік қарсылық немесе магниттік туннельдеу әсерін пайдаланатын спин клапандарының оқу басында және MRAM жад схемаларындағы қаттырақ эталондық қабатты бекіту үшін қолданылады. Сол сияқты, ең жетілген дискілік орталар антиферромагниттік байланысқа ие, бұл олардың мінез-құлқы суперпарамагниттік болатын кішкентай магниттік бөлшектердің тұрақтылығын тиімді арттыру үшін интерфейстік айырбастауды пайдаланады. Айырбастау қисықтығы материалы үшін қажетті қасиеттерге жоғары Нель температурасы, үлкен магнитокристалдық анизотропия және NiFe және Co, ең маңызды ферромагниттік қабаттармен жақсы химиялық және құрылымдық үйлесімділік жатады. Технологиялық тұрғыдан ең маңызды айырбастау қисықтығын құрайтын материалдар – тау тұзы құрылымындағы NiO, CoO және олардың қорытпалары сияқты антиферромагниттік оксидтер, сондай-ақ тау тұзы құрылымындағы FeMn, NiMn, IrMn және олардың қорытпалары сияқты интерметаллдар.
Тарих
1956 жылы General Electric компаниясының Мейклжон және Бин ғалымдары алмасу анизотропиясын ашты. Алмасу бейасын қолданған алғашқы коммерциялық құрылғы IBM-нің анизотроптық магнит кедергісі (AMR) дискілік диск жазу басы болды, ол 1970-ші жылдары Ханттың жобасына негізделген, бірақ 1990-шы жылдардың басына дейін индуктивті оқу басының орнын толық алмастыра алмады. 1990-шы жылдардың ортасына қарай алмасу анизотропия қабатын пайдаланатын спин клапан басы AMR басын ығыстыруға қадам басқан болатын.