Обменное смещение или обменная анизотропия возникает в двухслойных (или многослойных) слоях магнитных материалов, где жесткое поведение намагниченности антиферромагнитной тонкой пленки вызывает сдвиг в мягкой кривой намагничивания ферромагнитной пленки. Феномен обменного смещения чрезвычайно полезен при магнитной записи, где он используется для фиксации состояния считывающих головок жестких дисков точно в их точке максимальной чувствительности; отсюда и термин «предвзятость».
Фундаментальная наука
Существенной физикой, лежащей в основе этого явления, является обменное взаимодействие между антиферромагнетиком и ферромагнетиком на их границе раздела. Поскольку антиферромагнетики имеют небольшую суммарную намагниченность или ее отсутствие, их спиновая ориентация слабо зависит от внешнего магнитного поля. У мягкой ферромагнитной пленки, которая сильно обменно связана с антиферромагнетиком, будут закреплены межфазные спины. Инверсия момента ферромагнетика будет иметь дополнительные энергетические затраты, соответствующие энергии, необходимой для создания доменной стенки Нееля внутри антиферромагнитной пленки. Дополнительный член энергии означает сдвиг в поле переключения ферромагнетика. Таким образом, кривая намагничивания обменно-смещенной ферромагнитной пленки похожа на кривую нормального ферромагнетика, за исключением того, что она смещена от оси H = 0 на величину H b .
В большинстве хорошо изученных бислоев ферромагнетик / антиферромагнетик температура Кюри ферромагнетика больше, чем температура Нееля T N антиферромагнетика. Это неравенство означает, что направление обменного смещения может быть задано охлаждением через T N в присутствии приложенного магнитного поля. Момент магнитоупорядоченного ферромагнетика будет прикладывать эффективное поле к антиферромагнетику по мере его упорядочения, нарушая симметрию и влияя на образование доменов.
Эффект обменного смещения объясняется ферромагнитной однонаправленной анизотропией, образованной на границе раздела между различными магнитными фазами. Обычно процесс полевого охлаждения от более высокой температуры используется для получения ферромагнитной однонаправленной анизотропии в различных системах обменного смещения. В 2011 году большое обменное смещение было реализовано после охлаждения в нулевом поле из немагниченного состояния, которое было приписано вновь образованной границе раздела между различными магнитными фазами во время начального процесса намагничивания.
Обменная анизотропия долгое время была плохо изучена из-за сложности изучения динамики доменных границ в тонких антиферромагнитных пленках. Наивный подход к проблеме предполагает следующее выражение для энергии на единицу площади:
где n - количество межфазных взаимодействий спинов на единицу площади, J ex - константа обмена на границе раздела, S - вектор спина, M - намагниченность, t - толщина пленки, а H - внешнее поле. Индекс F описывает свойства ферромагнетика и AF антиферромагнетика. В выражении опущена магнитокристаллическая анизотропия , на которую не влияет присутствие антиферромагнетика. В поле переключения ферромагнетика энергия пиннинга, представленная первым членом, и дипольная связь Зеемана, представленная вторым членом, будут точно сбалансированы. Затем уравнение предсказывает, что сдвиг обменного смещения H b будет определяться выражением
Многие экспериментальные данные об обменном смещении противоречат этой простой модели. Например, величина измеренных значений H b обычно в 100 раз меньше, чем предсказывается уравнением для разумных значений параметров. Величина гистерезисного сдвига H b не коррелирует с плотностью n нескомпенсированных спинов в плоскости антиферромагнетика, которая появляется на границе раздела. Кроме того, эффект обменного смещения обычно меньше в эпитаксиальных бислоях, чем в поликристаллических, что указывает на важную роль дефектов. В последние годы прогресс в фундаментальном понимании был достигнут с помощью экспериментов с магнитным линейным дихроизмом на основе синхротронного излучения, которые могут отображать антиферромагнитные домены, и измерений частотно-зависимой магнитной восприимчивости, которые могут исследовать динамику. Особенно плодотворными оказались эксперименты на модельных системах Fe / FeF 2 и Fe / MnF 2 .
Технологическое воздействие
Обменное смещение первоначально использовалось для стабилизации намагниченности мягких ферромагнитных слоев в головках считывания на основе эффекта анизотропного магнитосопротивления (AMR). Без стабилизации состояние магнитного домена головки может быть непредсказуемым, что приведет к проблемам с надежностью. В настоящее время обменное смещение используется для закрепления более жесткого эталонного слоя в головках считывания спинового клапана и схемах памяти MRAM, которые используют гигантское магнитосопротивление или эффект магнитного туннелирования . Точно так же самые современные дисковые носители имеют антиферромагнитную связь, что позволяет использовать межфазный обмен для эффективного повышения стабильности малых магнитных частиц, поведение которых в противном случае было бы суперпарамагнитным.
Желательные свойства материала обменного смещения включают высокую температуру Нееля , большую магнитокристаллическую анизотропию и хорошую химическую и структурную совместимость с NiFe и Co, наиболее важными ферромагнитными пленками. Наиболее технологически значимыми материалами обменного смещения были антиферромагнитные оксиды со структурой каменной соли, такие как NiO, CoO и их сплавы, и интерметаллиды со структурой каменной соли, такие как FeMn, NiMn, IrMn и их сплавы.
История
Обменная анизотропия была обнаружена Мейкледжоном и Бином из General Electric в 1956 году. Первым коммерческим устройством, в котором использовалось обменное смещение, была записывающая головка накопителя с анизотропным магнитосопротивлением (AMR) IBM , которая была основана на конструкции Ханта 1970-х годов, но не использовала » • полностью вытеснять индуктивную головку обратного отсчета до начала 1990-х годов. К середине 1990-х гг. Головка прядильного клапана, использующая слой обменного смещения, постепенно вытеснила головку AMR.
Рекомендации
- Meiklejohn, WH; Бин, CP (1957-02-03). «Новая магнитная анизотропия». Физический обзор . 105 (3): 904–913. Bibcode : 1957PhRv..105..904M . DOI : 10.1103 / PhysRev.105.904 .
- С. Чиказуми, Ш. Чарап, Физика магнетизма, ASIN B0007DODNA.
- Nogués, J .; Иван К. Шуллер (1999-02-15). «Обменный уклон». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 192 (2): 203–232. Bibcode : 1999JMMM..192..203N . DOI : 10.1016 / S0304-8853 (98) 00266-2 .
- AE Berkowitz и K. Takano, "Обменная анизотропия: обзор", J. Magn. Magn. Матлс. 200 , 552 (1999).
- Джон К. Мэллинсон, Магниторезистивные головки и головки с вращающимся клапаном: основы и применение,ISBN 0-12-466627-2 .
- Киви, Мигель (сентябрь 2001 г.). «Теория обменных предубеждений». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 234 (3): 584–595. Bibcode : 2001JMMM..234..584K . DOI : 10.1016 / S0304-8853 (01) 00421-8 . hdl : 10533/172470 .
- Иван К. Шуллер и Г. Гюнтеродт, «Манифест предвзятости биржи», 2002 г.
- Jung-Il Hong , Titus Leo , David J. Smith и Ami E. Berkowitz , "Повышение обменного смещения с помощью разбавленных антиферромагнетиков", Phys. Rev. Lett. 96 , 117204 (2006).
- Баомин Ван , Юн Лю , Пэн Жэнь , Бинь Ся , Кайбинь Руань , Цзябао И , Цзюнь Дин , Сяогуан Ли и Лань Ван , «Большое обменное смещение после охлаждения в нулевом поле из ненамагниченного состояния», Phys. Rev. Lett. 106 , 077203 (2011).