Динамические неоднородности. В магнетоэлектронике

В магнетоэлектронике

В континуальных магнитоупорядоченных средах существует несколько видов физических носителей информационного сигнала - динамических неоднородностей.

Цилиндрические магнитные домены (ЦМД) представляют собой изолированные однородно намагниченные подвижные области в ферро- или ферримагнетиках. ЦМД имеют форму круговых цилиндров и направление намагниченности, противоположное направлению намагниченности магнетика.

ЦМД возникают при определенных условиях в тонких монокристаллических пластинках или пленках ферритов, обладающих сильной одноосной перпендикулярной анизотропией. Единственная ось легкого намагничивания направлена перпендикулярно поверхности континуальной среды, в которой формируются динамические неоднородности в виде ЦМД (рис. 5.1). Устойчивое равновесие ЦМД поддерживается под действием трех сил:

1) сжимающей силы со стороны внешнего магнитного поля;

2) магнитостатической силы растягивания домена за счет «магнитных зарядов»;

3) сжимающей силы поверхностного натяжения домена.

Изолированный домен существует в определенном интервале значений внешнего поля

Н_мин < Н_вн< Н_макс, (5.1)

где Н_мин - поле, при котором ЦМД растягивается в полосовой домен; Н_макс - поле, при котором ЦМД схлопывается - коллапсирует. Значение этих полей зависит от отношения толщины щелки к ее характеристической длине.

ЦМД можно перемешать в пленке воздействуя на него полем Н_вн. Скорость перемещения определяется соотношением

Рис. 5.1. Изолированный ЦМД: 1 – в пленке феррита-граната;

2 - ЦМД; 3 – стенка Блоха; 4 - вектор намагниченности

соседнего домена; 5 - вектор намагниченности домена;

6 - поле рассеяния домена

, (5.2)

где DН_вн - изменение напряженности внешнего поля на расстоянии, равном диаметру домена, m_g - подвижность домена, Н_c - коэрцитивная сила материала. Скорость перемещения домене около 1 - 10 м/с.

Переход вектора намагниченности из одного положения в другое происходит на границе раздела между двумя доменами. Эта граница или переходной слой называется доменной границей. Различают следующие типы доменных границ.

Неелевская граница существует в очень тонких магнитных пленках (менее 30 нм). Вектор намагниченности ориентирован по оси легкой намагниченности (ОНЛ), поворот атомных магнитных моментов в границе происходит только в плоскости пленки.

Блоховская граница существует в пленках толщиной более 100 нм и во всех массивных ферромагнетиках. Разворот магнитных моментов возможен как по часовой (правовинтовая граница), так и против часовой стрелки (левовинтовая граница). Особенностью блоховской доменной границы является отсутствие на ее краях магнитных зарядов.

Промежуточным типом является граница с поперечными связями, существующая в пленках толщиной от 30 до 100 нм.

В настоящее время значительный интерес представляют вертикальные блоховские линии (ВБЛ) в полосовых доменах. ВБЛ являются одним из типов динамических неоднородностей и на их основе созданы приборы для обработки и хранения информации.

В двоичном исчислении логические «1» и «0» образуются наличием или отсутствием ВБЛ. Расстояние между соседними ВБЛ достаточно мало, поэтому в стенке одного такого полоскового домена можно хранить множество битов информации, В полосовом домене размером 0,5 мкм можно хранить до 100 бит информации. Динамические неоднородности в виде ВБЛ, переносящие или хранящие биты информации, считываются на одном конце полоскового домена и генерируются (записываются) на другом (рис. 5.2).

В оптических дисках со стиранием и перезаписью информации используются домены в дисках из тербий-железо-кобальтового сплава с точкой Кюри 240 °С. Домены первоначально ориентированы в одном направлении (рис. 5.3, а). При воздействии лазерного излучения происходит локальный разогрев до точки Кюри (рис. 5.3, б). Если в этом месте действовать магнитным полем, то можно обратить поляризацию домена (рис. 5.3, в). Заметим, однако, что такие динамические неоднородности превращаются на определенное время в статические.

Рис. 5.2. Фрагмент полосового доменас тремя парами ВБЛ,

представляющие собой логические единицы

Рис. 5.3. Динамика обращения домена в оптическом диске

В функциональной магнетоэлектронике в качестве динамических неоднородностий часто используются резонансы и волны.

В квантовых системах под резонансом будем понимать резкое возрастание квантовых переходов при равенстве частот внешнего излучения hv и квантового перехода Е_i - E_j, или hv = Е_i - E_j.

Явление резонанса проявляется в увеличении интенсивности обмена энергией в процессах поглощения и излучения.

Механический момент каждого магнитного иона в ферромагнетике (спин) совершает прецессию под воздействием поля Н_упр, перпендикулярного внешнему Н_вн. Величина прецессии определяется ларморовской частотой.

В реальной ситуации магнитные моменты ионов в ферромагнетике взаимодействуют между собой благодаря дипольным полям, обмену энергией, взаимодействию с полем кристаллической структуры.

Возникают объемные магнитостатические волны (ОМСВ) и поверхностные магнитооптические волны (ПМСВ).

Магнитостатические волны представляют собой электромагнитные волны, сопровождающие колебания спинов в магнитоупорядоченных средах.

Фазовая скорость магнитостатических волн много меньше скорости света. Магнитостатические волны возбуждаются неоднородным магнитным полем, создаваемым током, протекающим по проводнику на поверхности пленки. На рис. 5 4 представлены два состояния ионов во внешнем магнитном поле Н_вн: в отсутствии управляющего поля спины выстраиваются вдоль направления постоянного поля (рис. 5.4, а); при наложении управляющего поля Н_упр, например, за счет протекания тока по проводнику, создается спиновая волна, распространяющаяся по пленке и являющаяся динамической неоднородностью (рис. 5.4, б). Характер распространения возмущения напоминает движение одиночной волны по струне, причем увеличение натяжения струны аналогично увеличению магнитного поля Н_упр. В обоих случаях наблюдается увеличение частоты. Эти волны называют также спиновыми.

Рис. 5.4. Возникновение динамической неоднородности в виде спиновой волны: а - в отсутствие управляющего поля;

б - при наличии управляющего поля

Наряду со спиновыми волнами в ферромагнетиках можно возбуждать упругие волны в ультразвуковом диапазоне, электромагнитные волны. Эти волны можно рассматривать как динамические неоднородности, между которыми могут возникать процессы взаимодействия в случае, если они распространяются одновременно. Взаимодействие упругих и спиновых волн, например, представляет собой магнитострикционную связь, которая позволяет изменить свойства волн вблизи точек синхронизма и образовать гибридную магнитоупругую волну (МУВ). Фазовые скорости таких волн выше скорости звука. Если рассмотреть слоистую структуру ферромагнетик - полупроводник, то спиновые волны в ферромагнитной пленке могут взаимодействовать с электронами проводимости полупроводника. Дело в том, что электрическое поле спиновой волны проникает через границу раздела в полупроводник и создает там переменный ток. Джоулево рассеяние мощности приводит к затуханию волны. В случае приложения поля к полупроводниковой пленке в ней возникает электрический ток, носители приобретают упорядоченное движение. На эти носители действует сила Лоренца, возникающая вследствие проникновения в полупроводник магнитного поля спиновой волны. В случае совпадения скорости упорядоченного движения носителей v_н в полупроводнике и фазовой скорости спиновой волны v_р сила Лоренца колеблется в противофазе с силой электрического поля волны. При этом, если v_н < v_р, то происходит ослабление спиновой волны; если v_н @ v_р, то не наблюдается поглощение спиновой волны и, наконец, если v_н > v_р, то происходит усиление спиновой волны или магнитоакустический резонанс. Это яркий пример взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы в различных континуальных средах. Магнитоакустический резонанс возникает на частотах 1 – 10² ГГц.

В магнитоупорядоченных средах можно возбудить динамические неоднородности в виде магнонов - квазичастиц, представляющих собой квант колебаний спиновых волн.

В твердых телах, находящихся в сильном магнитном поле Н_вн возникают волны плазмы. Эти волны имеют круговую поляризацию, их называют спиральными волнами или геликонами. Геликоны в процессе распространения взаимодействуют с фотонами и при совпадении частоты звука с частотой колебаний плазмы возникают смешанные колебания. В этом случае наблюдаются явления возбуждения звуковых колебаний колебаниями плазмы и наоборот.

В достаточно однородных сверхпроводниках II рода могут быть возбуждены магнитные вихри или вихри Абрикосова. Магнитный вихрь представляет собой нить нормальной фазы, окруженную экранирующим током. Вдоль оси такой нити проходит квант магнитного потока или флуксон, величина которого определяется как

Ф₀ = hс / 2q= 2,07 ∙ 10^-15 Вб. (5.3)

Прикладывая к вихрю внешнюю силу (сила Лоренца), можно перемещать вихрь в плоскости пленки. Особый интерес представляет использование флуксонов в пленках высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Континуальные среды

При выборе континуальных сред руководствуются условием максимальной эффективности возбуждения заданного типа динамической неоднородности. Первые ЦМД приборы изготавливались на редкоземельных ортоферритах с общей формулой LnFeO₃. Однако на их основе не могла быть обеспечена высокая плотность записи информации, экономичность приборов.

Наиболее оптимальной средой для создания ЦМД приборов оказались монокристаллические пленки феррит-гранатов (МПФГ), эпитаксиальные пленки феррит-шпинелей. В настоящее время магнитоодноосные пленки ферритов-гранатов, выращенных на намагниченных подложках галий-гадолиниевого граната (ГГГ), не испытывают заметной конкуренции со стороны других материалов.

Различают гранаты следующих систем: (LaLuSmCd)₃∙ (FeGa)₅O₁₂; (YLuSm)₃(FеGaSe)₅О₁₂; (YSm)₃(FeAl)₅O₁₂. При формировании континуальных сред cтараются получить ЦМД субмикронного диаметра, для чего используют, например, гранаты без ионов Sm³⁺. Для доменоcдвигающих структур используются пермаллоевые пленки (79 % Ni + 2l % Fe) с нулевым коэффициентом магнитострикции.

Для устройств функциональной электроники, использующих в качестве динамических неоднородностей спиновое эхо, могут быть использованы соединения типа NiFe⁵⁷О₄, пленки или порошок Co⁵⁹, пленки Co⁵⁹Fe⁵⁷.

Широкие перспективы построения разнообразных функциональных устройств открывают новые материалы - магнитные полупроводники. К ним относятся магнетики, не обладающие металлической природой электропроводности и представляющие собой соединения магнитных и немагнитных элементов. В настоящее время известны такие магнитные полупроводники, как халькогениды европия, халькогенидные шпинели хрома, сильно легированные ферриты (например, железоиттриевый гранат, легированный кремнием) и т. д.

В магнитных полупроводниках при температурах, меньших температуры магнитного упорядочения Q (точки Кюри), появляется как бы дополнительная по сравнению с обычными немагнитными полупроводниками степень свободы — магнитный порядок. Между магнитным порядком и полупроводниковыми свойствами материала (электрическими, оптическими) имеются взаимосвязь и взаимовлияние, которые и вызывают разнообразные, свойственные исключительно этим материалам, эффекты. Например, вследствие зависимости зонной структуры от величины магнитного момента при понижении температуры до значений, меньших Q, в магнитных полупроводниках наблюдается аномально сильный сдвиг края полосы поглощения. При этом ширина запрещенной зоны может, как уменьшаться, так и увеличиваться. Магнетосопротивление в магнитных полупроводниках существенно больше, чем в обычных, и максимально вблизи точки Кюри. Возникает оно, прежде всего из-за воздействия внешнего поля на намагниченность, а не непосредственно на носитель заряда, как в обычных полупроводниках. Эти эффекты обусловлены влиянием намагниченности на оптические и электрические свойства вещества. Существуют эффекты и обратного порядка. Имеются сообщения о наблюдении изменений магнитной проницаемости и направления оси анизотропии в некоторых магнитных полупроводниках под воздействием света. В халькогенидах европия и некоторых других материалах имеют место повышение точки Кюри и изменение намагниченности с увеличением концентрации носителей заряда.

Ряд эффектов в магнитных полупроводниках возникает из-за взаимодействия носителей заряда со спиновыми волнами, в частности изменение знака магнетосопротивления. Экспериментально наблюдался эффект усиления СВЧ-излучения в магнитных полупроводниках при пропускании через них электрического тока.

Продолжаются широкие исследования различных свойств магнитных полупроводников. Однако уже известные эффекты позволяют создавать монолитные СВЧ-микросхемы с активными и пассивными СВЧ-элементами на одной монокристаллической подложке из магнитного полупроводника, устройства бесконтактного управления и связи, заменители датчиков Холла и другие устройства.

Магнитные шпинели дают возможность реализовать запоминающие устройства, аналогичные запоминающим устройствам на ферритовых сердечниках. Предполагается, что шпинели будут технологичнее ферритов. Кроме того, из них можно делать также активные приборы, позволяющие параллельно с записью и считыванием информации производить обработку информации непосредственно в запоминающей среде.

Поиск по сайту: