Обменный сдвиг и анизотропия в магнитных бислоях.

Введение

Обменный уклон, или обменная анизотропия, возникает в двухслойных (или многослойных) магнитных материалах, где поведение жесткой намагниченности антиферромагнитной тонкой пленки вызывает сдвиг кривой намагниченности ферромагнитной пленки. Феномен обменного уклона имеет огромное значение в магнитной записи, где он используется для фиксации состояния головок считывания жестких дисков точно в точке их максимальной чувствительности; отсюда и термин "уклон".

Основные науки

Существенная физика, лежащая в основе этого явления, – это обменное взаимодействие между антиферромагнетиком и ферромагнетиком на их интерфейсе. Поскольку антиферромагнетики имеют небольшую или вообще не имеют результирующей намагниченности, на их спиновую ориентацию внешнее магнитное поле оказывает лишь слабое влияние. Мягкая ферромагнитная пленка, которая сильно связана обменом с антиферромагнетиком, будет иметь зафиксированные спины на интерфейсе. Изменение намагниченности ферромагнетика потребует дополнительных энергетических затрат, соответствующих энергии, необходимой для создания стенки домена Нееля в антиферромагнитной пленке. Этот дополнительный член энергии подразумевает сдвиг поля перемагничивания ферромагнетика. Таким образом, кривая намагничивания ферромагнитной пленки с эффектом обменного смещения выглядит как кривая обычного ферромагнетика, за исключением того, что она смещена от оси H=0 на величину Hb. В большинстве хорошо изученных ферромагнит/антиферромагнит бислоев температура Кюри ферромагнетика выше температуры Нееля TN антиферромагнетика. Это неравенство означает, что направление обменного смещения может быть установлено путем охлаждения ниже TN в присутствии приложенного магнитного поля. Момент магнитно упорядоченного ферромагнетика будет оказывать эффективное поле на антиферромагнетик в процессе упорядочения, нарушая симметрию и влияя на формирование доменов. Эффект обменного смещения объясняется ферромагнитной однонаправленной анизотропией, формирующейся на интерфейсе между различными магнитными фазами. Обычно для получения ферромагнитной однонаправленной анизотропии в различных системах с эффектом обменного смещения используется процесс охлаждения в магнитном поле от более высокой температуры. В 2011 году был реализован большой эффект обменного смещения после охлаждения в нулевом поле из размагниченного состояния, что было связано с вновь образовавшимся интерфейсом между различными магнитными фазами в процессе начальной намагниченности. Обменная анизотропия долгое время оставалась плохо понятой из-за сложности изучения динамики доменных стенок в тонких антиферромагнитных пленках. Наивный подход к проблеме предполагает следующее выражение для энергии на единицу площади:

The essential physics underlying the phenomenon is the exchange interaction between the antiferromagnet and ferromagnet at their interface. Since antiferromagnets have a small or no net magnetization, their spin orientation is only weakly influenced by an externally applied magnetic field. A soft ferromagnetic film which is strongly exchange coupled to the antiferromagnet will have its interfacial spins pinned. Reversal of the ferromagnet's moment will have an added energetic cost corresponding to the energy necessary to create a Néel domain wall within the antiferromagnetic film. The added energy term implies a shift in the switching field of the ferromagnet. Thus the magnetization curve of an exchange biased ferromagnetic film looks like that of the normal ferromagnet except that is shifted away from the H=0 axis by an amount Hb. In most well studied ferromagnet/antiferromagnet bilayers, the Curie temperature of the ferromagnet is larger than the Néel temperature TN of the antiferromagnet. This inequality means that the direction of the exchange bias can be set by cooling through TN in the presence of an applied magnetic field. The moment of the magnetically ordered ferromagnet will apply an effective field to the antiferromagnet as it orders, breaking the symmetry and influencing the formation of domains. The exchange bias effect is attributed to a ferromagnetic unidirectional anisotropy formed at the interface between different magnetic phases. Generally, the process of field cooling from higher temperature is used to obtain ferromagnetic unidirectional anisotropy in different exchange bias systems. In 2011, a large exchange bias has been realized after zero field cooling from an unmagnetized state, which was attributed to the newly formed interface between different magnetic phases during the initial magnetization process. Exchange anisotropy has long been poorly understood due to the difficulty of studying the dynamics of domain walls in thin antiferromagnetic films. A naive approach to the problem would suggest the following expression for energy per unit area:

где n – число взаимодействий между спинами на интерфейсе на единицу площади, Jex – обменная константа на интерфейсе, S – спиновый вектор, M – намагниченность, t – толщина пленки, а H – внешнее поле. Индекс F описывает свойства ферромагнетика, а AF – антиферромагнетика. В выражении не учитывается магнитокристаллическая анизотропия, которая не подвержена влиянию присутствия антиферромагнетика. В поле перемагничивания ферромагнетика энергия закрепления, представленная первым членом, и дипольное взаимодействие Зеемана, представленное вторым членом, будут точно сбалансированы. Тогда уравнение предсказывает, что сдвиг обменного смещения Hb будет задан выражением

Многие экспериментальные данные, касающиеся обменного смещения, противоречат этой простой модели. Например, величина измеренных значений Hb обычно в 100 раз меньше, чем предсказываемая уравнением при разумных значениях параметров. Величина гистерезисного сдвига Hb не коррелирует с плотностью n нескомпенсированных спинов в плоскости антиферромагнетика, которые появляются на интерфейсе. Кроме того, эффект обменного смещения, как правило, меньше в эпитаксиальных бислоях, чем в поликристаллических, что указывает на важную роль дефектов. В последние годы достигнут прогресс в фундаментальном понимании благодаря экспериментам с использованием синхротронного излучения, основанным на элемент-специфическом магнитном линейном дихроизме, которые позволяют визуализировать антиферромагнитные домены, и измерениям магнитной восприимчивости, зависящей от частоты, которые позволяют исследовать динамику. Эксперименты с модельными системами Fe/FeF2 и Fe/MnF2 оказались особенно плодотворными.

Технологическое воздействие

Изначально обменное смещение использовалось для стабилизации намагниченности мягких ферромагнитных слоев в считывающих головках, основанных на эффекте анизотропной магниторезистентности (АМР). Без этой стабилизации магнитное доменное состояние головки могло быть непредсказуемым, что приводило к проблемам с надежностью. В настоящее время обменное смещение применяется для фиксации более твердого опорного слоя в считывающих головках типа "спиновый клапан" и схемах памяти MRAM, использующих гигантское магнитосопротивление или эффект магнитного туннелирования. Подобным образом, в самых современных носителях информации используется антиферромагнитное взаимодействие, за счет межфазного обмена эффективно повышающее стабильность малых магнитных частиц, которые в противном случае проявляли бы суперпарамагнетизм. К желаемым свойствам материала для обменного смещения относятся высокая температура Нееля, большая магнитокристаллическая анизотропия и хорошая химическая и структурная совместимость с NiFe и Co – наиболее важными ферромагнитными пленками. Наиболее технологически значимыми материалами, демонстрирующими эффект обменного смещения, являются антиферромагнитные оксиды типа каменной соли, такие как NiO, CoO и их сплавы, а также интерметаллиды типа каменной соли, такие как FeMn, NiMn, IrMn и их сплавы.

История

Обменная анизотропия была открыта Мейклжоном и Бином из General Electric в 1956 году. Первым коммерческим устройством, использующим эффект обменного смещения, стала дисковая головка записи с анизотропным магниторезистивным (AMR) считыванием производства IBM, основанная на конструкции Ханта 1970-х годов, но полностью вытеснившая индуктивную головку считывания только к началу 1990-х годов. К середине 1990-х годов спин-клапанная головка, использующая слой обменного смещения, успешно вытесняла головку AMR.