Спин-волны в магнитных материалах

Введение

Волна, распространяющаяся в магнитном материале.

В физике конденсированного состояния спиновая волна — это распространяющееся возмущение в упорядочении магнитного материала. Эти низкоэнергетические коллективные возбуждения возникают в магнитных решетках с непрерывной симметрией. С точки зрения эквивалентных квазичастиц, спиновые волны известны как магноны, которые представляют собой бозонные моды спиновой решетки, приблизительно соответствующие фононным возбуждениям ядерной решетки. С повышением температуры тепловое возбуждение спиновых волн уменьшает спонтанную намагниченность ферромагнетика. Энергии спиновых волн обычно составляют лишь несколько [[электронвольт]], что соответствует типичным точкам Кюри при комнатной температуре и ниже.

Экспериментальное наблюдение

Спин-волны наблюдаются четырьмя экспериментальными методами: неэластичное рассеяние нейтронов, неэластичное рассеяние света (рассеяние Бриллюэна, рассеяние Рамана и неэластичное рассеяние рентгеновских лучей), неэластичное рассеяние электронов (спиноразрешенная спектроскопия потери энергии электронов) и резонанс спиновых волн (ферромагнитный резонанс). В методе неэластичного рассеяния нейтронов измеряется потеря энергии пучком нейтронов, возбуждающих магнон, как правило, в зависимости от вектора рассеяния (или, эквивалентно, от передачи импульса), температуры и внешнего магнитного поля. Измерения неэластичного рассеяния нейтронов позволяют определить дисперсионную кривую для магнонов, подобно тому, как это делается для фононов. Важные установки для неэластичного рассеяния нейтронов находятся на источнике нейтронов ISIS в Оксфордшире (Великобритания), в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция), на высокопоточном изотопном реакторе в Национальной лаборатории Оук-Ридж (Теннесси, США) и в Национальном институте стандартов и технологий (Мэриленд, США). Рассеяние Бриллюэна аналогичным образом измеряет потерю энергии фотонов (обычно на удобной длине волны видимого спектра), отраженных от или прошедших через магнитный материал. Бриллюэновская спектроскопия аналогична более известному рассеянию Рамана, но исследует более низкие энергии и обладает более высоким энергетическим разрешением, чтобы обнаруживать энергию магнонов в диапазоне meV. Ферромагнитный (или антиферромагнитный) резонанс измеряет поглощение микроволн магнитным материалом спиновыми волнами, как правило, в зависимости от угла, температуры и приложенного магнитного поля. Ферромагнитный резонанс – удобный лабораторный метод для определения влияния магнитокристаллической анизотропии на дисперсию спиновых волн. Одна группа из Института физики микроструктур им. Макса Планка в Галле (Германия) показала, что с помощью спино-поляризованной спектроскопии потери энергии электронов (SPEELS) можно возбуждать магноны с очень высокой энергией на поверхности. Этот метод позволяет исследовать дисперсию магнонов в ультратонких ферромагнитных пленках. Первый эксперимент был проведен для пленки Fe толщиной 5 монослоев. При импульсном разрешении дисперсия магнонов была исследована для пленки Co fcc толщиной 8 монослоев на подложке Cu(001) и пленки Co hcp толщиной 8 монослоев на подложке W(110) соответственно. Максимальная энергия магнона на границе зоны Бриллюэна составляла 240 меВ.

Spin waves are observed through four experimental methods: inelastic neutron scattering, inelastic light scattering (Brillouin scattering, Raman scattering and inelastic X ray scattering), inelastic electron scattering (spin resolved electron energy loss spectroscopy), and spin wave resonance (ferromagnetic resonance). In inelastic neutron scattering the energy loss of a beam of neutrons that excite a magnon is measured, typically as a function of scattering vector (or equivalently momentum transfer), temperature and external magnetic field. Inelastic neutron scattering measurements can determine the dispersion curve for magnons just as they can for phonons. Important inelastic neutron scattering facilities are present at the ISIS neutron source in Oxfordshire, UK, the Institut Laue Langevin in Grenoble, France, the High Flux Isotope Reactor at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, USA, and at the National Institute of Standards and Technology in Maryland, USA. Brillouin scattering similarly measures the energy loss of photons (usually at a convenient visible wavelength) reflected from or transmitted through a magnetic material. Brillouin spectroscopy is similar to the more widely known Raman scattering, but probes a lower energy and has a superior energy resolution in order to be able to detect the meV energy of magnons. Ferromagnetic (or antiferromagnetic) resonance instead measures the absorption of microwaves, incident on a magnetic material, by spin waves, typically as a function of angle, temperature and applied field. Ferromagnetic resonance is a convenient laboratory method for determining the effect of magnetocrystalline anisotropy on the dispersion of spin waves. One group at the Max Planck Institute of Microstructure Physics in Halle, Germany proved that by using spin polarized electron energy loss spectroscopy (SPEELS), very high energy surface magnons can be excited. This technique allows one to probe the dispersion of magnons in the ultrathin ferromagnetic films. The first experiment was performed for a 5 ML Fe film. With momentum resolution, the magnon dispersion was explored for an 8 ML fcc Co film on Cu(001) and an 8 ML hcp Co on W(110), respectively. The maximum magnon energy at the border of the surface Brillouin zone was 240 meV.

Практическое значение

Когда магнитоэлектронные устройства работают на высоких частотах, генерация спиновых волн может являться важным механизмом потерь энергии. Генерация спиновых волн ограничивает ширину спектра и, следовательно, добротность Q ферритовых компонентов, используемых в микроволновых устройствах. Обратная величина наименьшей частоты характерных спиновых волн магнитного материала определяет временные характеристики переключения устройства, основанного на этом материале.