Ученые из МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Тринити-колледжа Дублина разработали математический аппарат для описания процессов, важных для будущей магнитной памяти, спинтроники и терагерцовой физики. Предложенный теоретический метод описывает инерционную динамику намагниченности ферромагнитных наночастиц в условиях теплового шума и внешнего магнитного поля. Результаты работы позволят ускорить разработку устройств сверхбыстрой магнитной памяти и терагерцовой спинтроники. Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 25-22-00119) и опубликована в журнале Physical Review B.
Современные терагерцовые технологии и ультрабыстрая спинтроника требуют описания магнитной динамики на очень коротких временных масштабах. В таких системах переключение намагниченности наномагнитов — величины, характеризующей суммарный магнитный момент системы,— происходит на пикосекундных и субпикосекундных временах. В этом случае традиционные модели, в которых намагниченность считается безынерционной и мгновенно реагирует на изменение поля, становятся недостаточными.
«Если говорить простыми словами, то обычная теория описывает магнитный момент как вектор, прецессирующий вокруг магнитного поля. Но в сверхбыстрых процессах магнитный момент ведет себя скорее как тяжелый волчок: на прецессию вектора магнитного момента вокруг эффективного магнитного поля накладывается дополнительное осциллирующее движение — нутация вектора»,— пояснил Антон Титов, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники», младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спинтроники МФТИ.
Исследователи разработали теоретическую модель, которая описывает инерционную динамику намагниченности наномагнита во внешнем поле в условиях тепловых флуктуации. В качестве модельной системы ученые использовали одноосный наномагнит с двумя устойчивыми ориентациями намагниченности, разделенными энергетическим барьером. Затем они учли внешнее поле, которое делает эти две ориентации неравноценными: одна потенциальная яма становится глубже, другая — мельче.
Это позволило смоделировать реалистичную ситуацию, когда внешнее поле влияет на вероятность переориентаций намагниченности между устойчивыми состояниями. После этого в модель добавили тепловой шум, потому что тепловые флуктуации при нормальных условиях в спиновых наносистемах как влияют на динамику намагниченности внутри потенциальных ям, так и могут «перебрасывать» намагниченность из одного состояния в другое.
Главная особенность предлагаемой модели — учет инерционности намагниченности. Это значит, что в ней учитывается возможность сверхбыстрой нутации — дополнительного колебания вектора намагниченности. Это движение накладывается на обычную прецессию вокруг эффективного магнитного поля. Обычные безынерционные модели не описывают такую динамику в системе.
Авторы рассчитали спектр магнитной восприимчивости, чтобы увидеть, какие типы релаксации возникают. Результаты моделирования показали, что спектр продольной магнитной восприимчивости имеет три отчетливых режима, соответствующих трем релаксационным режимам.
Медленный релаксационный процесс связан с переориентацией намагниченности через потенциальный барьер. В этом режиме наномагнит, находящийся в одном из устойчивых состояний, может перейти в другое как при изменении внешнего поля, так и под действием тепловых флуктуаций.
Промежуточный режим соответствует локальной релаксации в области потенциального минимума: намагниченность не переходит из одного состояния в другое, а совершает прецессионно-нутационное движение внутри одной потенциальной ямы, постепенно возвращаясь к состоянию, соответствующему равновесному распределению.
И третий режим представляет собой быстрый релаксационный процесс. Он определяется нутационным движением намагниченности — инерционным эффектом, который невозможно наблюдать в безынерционном приближении.
Предложенный метод позволяет рассчитывать восприимчивость ферромагнитных наночастиц в широком диапазоне частот — от низкочастотной области до терагерцового диапазона, где учет инерционности намагниченности становится принципиально важным.
«Разработанный нами теоретический подход является универсальным. Он объединяет в себе как предыдущие достижения, основанные на традиционном рассмотрении безынерционных магнитодинамических процессов в спиновой системе, так и новые результаты, связанные с инерционностью намагниченности»,— рассказал Антон Титов.
Это исследование помогает перейти от упрощенной картины наномагнита к более реалистичной модели, которая одновременно учитывает тепловые флуктуации, влияние внешнего поля, преодоление энергетических барьеров и нутацию намагниченности. Такой подход открывает новые возможности для будущих устройств магнитной памяти, спинтроники и терагерцовой физики.
Результаты получены при поддержке РНФ (грант № 25-22-00119).
Научная статья: Titov, S. V., Chukashev, N. V., Titov, A. S., Dowling, W. J., Nikitov, S. A.; Inertial and bias effects in magnetization relaxation in uniaxial nanomagnets with thermal noise; Phys. Rev. B.; 113, 18. DOI: 10.1103/jg1c-vgfb
Подробнее: Научный центр мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники»
занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Приоритетами работы Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники» на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники». Его участниками совместно с МФТИ являются ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступают такие техногиганты и ключевые промышленные компании, как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
