Ученые Казанского федерального университета в сотрудничестве с коллегами из Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского ФИЦ «КазНЦ РАН» и Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ исследовали возможность управления спектром стоячих спиновых волн в ферромагнитных пленках сплава Pd-Fe с переменным составом по толщине. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B
Изучению спиновых волн посвящен раздел физики, называемый магноникой. В магнонных устройствах информация переносится не носителями заряда — электронами или «дырками», а магнонами — квантами спиновых волн. Разработки в этой области позволят создать более энергоэффективные, по сравнению с полупроводниковыми, микропроцессоры, а также новые типы аккумуляторов, запоминающих устройств, магнитных устройств записи.
Новая работа российских ученых была посвящена подробному исследованию резонансного спектра стоячих спиновых волн в неоднородных пленках при температурах от 10 Кельвинов до комнатной температуры. Эксперименты и моделирование показали, что в градиентной по толщине пленке Pd-Fe в каждом локальном подслое своя температура ферромагнитного перехода (температура Кюри), определяемая локальной концентрацией железа в сплаве: где меньше железа, там ниже эта температура. И, при определенной температуре, подслой с меньшей концентрацией железа становится парамагнитным.
При дальнейшем увеличении температуры парамагнитная область увеличивается за счет уменьшения толщины ферромагнитной части пленки до тех пор, пока вся пленка не станет парамагнитной. В зависимости от сложности профиля состава по толщине, таких областей может быть несколько, они могут появляться при различных температурах, сливаться друг с другом и т.д. При этом, все эти процессы изменения фазового состава сильно влияют на спектр стоячих спиновых волн, которые могут возникать только в ферромагнитной части пленки. Таким образом, спектром стоячих спиновых волн можно эффективно управлять с помощью изменения температуры образца.
В ходе данного исследования авторы увидели две принципиально новые важные возможности.
«Во-первых, это аккуратное и гибкое управление составом «градиентного» магнитного материала, который оказывает значительное влияние на спектр магнонов. Под градиентом подразумевается изменение свойств вдоль определенного направления в пространстве. Во-вторых, моделирование магнитных свойств, которое описывает его спин-волновой спектр с высокой точностью при всех температурах эксперимента», – рассказал старший научный сотрудник лаборатории «Гетероструктуры для посткремниевой электроники» Института физики КФУ Игорь Янилкин.
Фото из личного архива Амира Гумарова
«До начала исследований мы, конечно, догадывались, что температура должна влиять на спектр стоячих спиновых волн. Однако, мы даже не предполагали, что во всем температурном диапазоне результаты наших измерений будут настолько хорошо описываться полуклассическим подходом, основанным на уравнении Ландау-Лифшица. Это означает, что можно заранее предсказывать спектр стоячих спиновых волн для любого технологически заданного профиля концентрации железа в ферромагнитной пленке сплава Pd-Fe при любой температуре, а значит, температура становится дополнительным инструментом для управления спектром спиновых волн в широком диапазоне», – подчеркнул еще один автор работы, ведущий научный сотрудник Института физики КФУ Роман Юсупов.
«Полученные знания и технологии привносят в магнонику новый материал с перестраиваемым спектром магнонов, обладающий свойством невзаимности (большой разницы в свойствах магнонов, распространяющихся в противоположных направлениях), на котором реализуются магнонные диоды и логические вентили», – пояснил актуальность исследования Ленар Тагиров, ведущий научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Следующий значительный шаг для развития данного направления, по мнению ученых, — создание наноструктур из «градиентных» материалов, в которых можно будет индуцировать бегущие спиновые волны, необходимые для передачи и обработки информации. Для создания подобных структур требуется электронная или оптическая литография. Формирование наноструктур планируется осуществить в Центре перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Исследование проведено при поддержке программы «Приоритет-2030» и в рамках мегагранта Минобрнауки России.
