Ученые из МФТИ с коллегами исследовали сплошные пленки гетероструктур пермаллой-платина и пермаллой-вольфрам методом ферромагнитного резонанса. Были обнаружены новые возможности управления параметром затухания спинового тока. Работа опубликована в Physics of Metals and Metallography.
В последние десятилетия наблюдается бурный рост количества научных публикаций, посвященных спинтронике и новым типам электронных устройств.
Рисунок 1. Публикации по спинтронике по годам. Источник: журнал РЭНСИТ http://rensit.ru/vypuski/article/260/10%283%29343-356.pdf .
Возможность контроля динамики намагниченности является критически важной характеристикой передовых магнитных материалов современной спинтроники. Благодаря возможности управлять динамикой намагниченности сегодня существует ряд различных спинтронных устройств, таких как SOT-MRAM , оптически переключаемая сверхбыстрая память, а также большое количество магнонных устройств. В таких устройствах динамику намагниченности обычно характеризует параметр затухания Гильберта, который определяет быстродействие устройства, критический ток переключения и потребление энергии. Управление намагниченностью материалов с помощью внешних полей лежит в основе работы многих современных технологий — от жестких дисков до датчиков и элементов спинтроники.
Ученые научились теоретически оценивать и экспериментально измерять параметр затухания Гильберта для различных материалов, в том числе для переходных металлов и сплавов. Были обнаружены материалы с рекордно низким затуханием, такие как железо-иттриевые гранаты, сплавы Гейслера и железо, легированное ванадием. Такие материалы могут стать основной для создания новых эффективных быстродействующих электронных устройств.
Однако, несмотря на эти успехи, сложность изготовления перечисленных материалов не позволяет им вытеснить более распространенные сплавы переходных металлов, такие как пермаллой или сплав кобальта, железа и бора, которые проще в производстве, но при этом демонстрируют достаточно хорошие характеристики.
В спинтронных гетероструктурах типа «ферромагнетик/материал с большим спин-орбитальным взаимодействием» одним из самых эффективных методов генерации спинового тока является спиновая накачка. Во время ферромагнитного резонанса, когда резонансная частота прецессии намагниченности совпадает с частотой внешнего переменного магнитного поля, начинает течь спиновый ток из ферромагнитного слоя в прилежащий слой. Благодаря этому изменяется магнитный момент свободного слоя, что позволяет управлять динамикой намагниченности материала внешним полем с помощью ферромагнитного резонанса.
Спиновый ток можно измерить с помощью обратного спинового эффекта Холла, когда спиновый ток преобразуется в зарядовый ток вследствие спин-орбитального взаимодействия (то есть взаимодействия собственного вращательного момента электрона с его же моментом вращательного движения по орбите атома). В то же время наличие зарядового тока может приводить к возникновению спинового тока — это явление называется спиновый эффект Холла.
Рисунок 2. Иллюстрация прямого (а) и обратного (б) спинового эффекта Холла. Источник https://bigenc.ru/c/spinovyi-effekt-kholla-9b30af Александр Овчинников.
Чтобы научиться управлять динамикой намагниченности материала и создавать на основе этого современные электронные устройства, например, энергонезависимые элементы памяти, необходимо исследовать зависимость параметра затухания от температуры. Кроме того, данные об этой зависимости могут позволить сделать фундаментальные выводы о том, какие физические эффекты участвуют в процессах намагничивания и размагничивания и играют в них существенную роль.
В работе российского коллектива ученых был проведен эксперимент по спиновой накачке в широком температурном диапазоне (5—300 К) для образцов гетероструктур пермаллоя(20 нм)/вольфрама(5 нм) и пермаллоя(20 нм)/платины(5 нм). Были определены значения параметра затухания Гильберта α и намагниченности насыщения для упомянутых выше структур. Также было измерено напряжение обратного спинового эффекта Холла в том же температурном диапазоне.
На сапфировую подложку сначала напыляли слой тяжелого металла, а затем слой ферромагнетика. Толщины образцов определяли с помощью рентгеновского дифрактометра. Набор образцов исследовали методом ферромагнитного резонанса в криостате, который позволял регулировать температуру в широком диапазоне. Для возбуждения прецессии намагниченности в ферромагнитном слое образец располагали на волноводе, подключенном к векторному анализатору цепей. Ученые измерили зависимость параметра затухания Гильберта от температуры гетероструктур.
Рисунок 3. Зависимость параметра затухания Гильберта для образцов Py/W (черные полые квадраты), Py/Pt (красные полые круги). Отчетливо наблюдается увеличения параметра Гильберта при уменьшении температуры от 100 до 50 К, далее вплоть до 5 К идёт уменьшение параметра. Источник: Physics of Metals and Metallography.
Аномально высокий пик значения затухания при температуре около 50 К позволил сделать вывод, что увеличение параметра затухания Гильберта в указанном температурном диапазоне определяется взаимодействием спина электронов проводимости с их орбитальным моментом, то есть имеет спин-орбитальный характер.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые провели отдельный эксперимент по измерению напряжения обратного спинового эффекта Холла.
Рисунок 4. Зависимость напряжения ОСЭХ для образцов Py/W (черные полые квадраты), Py/Pt (красные полые круги). Наблюдается увеличение напряжения обратного спинового эффекта Холла с уменьшением температуры от комнатной до ~130 К. Далее вплоть до 50 К идёт уменьшение напряжения, затем наблюдается резкий подъём. Источник: Physics of Metals and Metallography.
«Мы измерили напряжение обратного спинового эффекта Холла с разрешением по температуре и обнаружили спад напряжения в области 50 К, — рассказал Александр Пахомов, младший научный сотрудник лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ. — Данное поведение мы связываем с наличием аномального эффекта Нернста, который начинает доминировать в области температур ниже 50 К. Его исследование поможет в разработке спинтронных устройств».
В работе принимали участие ученые из МФТИ, ООО «Новые спинтронные технологии» и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
