Коллектив российских ученых из МФТИ, Российского квантового центра и Крымского федерального университета представил новый метод анализа магнитной анизотропии тонких гранатовых пленок при низких температурах, основанный на измерениях ферромагнитного резонанса (FMR). Этот метод позволяет быстро и точно определять температурную зависимость констант магнитной анизотропии, что является важным шагом в развитии магноники — перспективного направления в спинтронике. Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-62-10024,проект № 24-72-00043).
Железо-иттриевые гранаты давно используются в науке и технике благодаря их уникальным магнитным и оптическим свойствам. Эти материалы находят применение в магнонике, спинтронных устройствах, оптических изоляторах и датчиках магнитного поля. Однако большинство исследований таких гранатов проводилось при комнатной температуре, а измерения при низких температурах сталкивались с рядом сложностей. В частности, традиционные методы измерения магнитной анизотропии требуют прямого определения намагниченности, что становится затруднительным при использовании парамагнитных подложек, таких как гадолиний-галлиевый гранат. Это накладывает ограничения на исследование магноники при низких температурах, необходимых для приложений в квантовых вычислениях и сверхпроводниковых системах.
Магнитная анизотропия — это свойство магнитных материалов, при котором энергия системы зависит от направления намагниченности. Различают кубическую анизотропию, связанную с кристаллической структурой, и одноосную анизотропию, возникающую вследствие внутренних напряжений или особенностей роста плёнки. Ферромагнитный резонанс — метод, позволяющий исследовать магнитные свойства материалов, измеряя зависимость резонансной частоты от внешнего магнитного поля. Этот метод широко применяется для определения магнитных параметров, включая константы анизотропии.
В своей работе учёные представили новый универсальный и быстрый метод расчета констант магнитной анизотропии гранатовых пленок при изменении температуры с использованием измерений ферромагнитного резонанса. Исследование проводилось на пленке, легированной висмутом, выращенной на диамагнитной подложке из иттриево-скандиево-галлиевого граната. Этот выбор подложки позволил избежать парамагнитного вклада при низких температурах, свойственного гадолиний-галлиевому гранату.
Основной задачей исследования было определение констант магнитной анизотропии при изменении температуры от 5 до 300 K. В ходе эксперимента ученые выявили, что одноосная анизотропия изменяет знак при 120 K, переходя от отрицательных значений к положительным.
Для измерений использовался векторный анализатор цепей, подключенный к гелиевому криостату замкнутого цикла. Пленка помещалась на копланарный волновод, и анализировался передаваемый сигнал.
Новый метод расчета требует широкополосных измерений ферромагнитного резонанса, в отличие от одночастотных измерений в других подходах. Он основан на том, что при перпендикулярном внешнем поле к образцу резонансная частота линейно увеличивается с увеличением поля. Тогда требуемые параметры можно оценить, используя наклон полученного графика.
Рисунок 1. Схема измерения ферромагнитного резонанса. Образец помещается на копланарный волновод, прикрепленный к холодному пальцу гелиевого криостата замкнутого цикла Cryotrade CFSG-400-C. Прошедший сигнал, нормализованный по отклику от волновода, анализируется. Источник: Journal of Applied Physics.
Рисунок 2. Расположение подложки исследуемого образца и используемая система координат. Источник: Journal of Applied Physics.
Важной особенностью метода, предложенного авторами, является то, что он не требует измерения полярной или азимутальной угловой зависимости отклика ферромагнитного резонанса. Дополнительным преимуществом нового подхода является его способность проводить быстрые оценки параметров в зависимости от температуры. Его можно применять к пленкам, демонстрирующим любую частотную зависимость от внешнего магнитного поля, независимо от наличия или отсутствия «мягкой моды».
Михаил Панин, инженер лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ, отметил: «Наш метод отлично подходит для проведения температурных измерений констант магнитной анизотропии в пленках ЖИГ. Он позволяет довольно быстро определять параметры магнитной анизотропии и может быть использован на установках без возможности точного контроля направления внешнего магнитного поля, так же он подходит для широкого спектра пленок. В исследуемой пленке с довольно сложным составом нам удалось обнаружить и объяснить нетипичное поведение магнитной анизотропии».
Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ, отметил: «Дальнейшие исследования группы направлены на повышение чувствительности методики ферромагнитного резонанса для изучения двумерных магнитных материалов, таких как CrCl3 и CrSBr. Разработанный в данной работе метод будет полезен для исследования тонких магнитных пленок и двумерных магнитных материалов, а также позволит ускорить разработку функциональных устройств на их основе».
В будущем новый подход будет применен к исследованию ультратонких гранатовых пленок с перпендикулярной магнитной анизотропией. Также методика может быть адаптирована для изучения новых материалов, предназначенных для квантовых вычислений и спинтронных устройств. Дальнейшие исследования будут направлены на анализ взаимодействий анизотропии с другими магнитными эффектами и изучение тонких пленок с различными ориентациями кристаллической решётки.
