Предвзятость обмена

Обменное смещение или обменная анизотропия возникает в бислоях (или мультислоях) магнитных материалов, где поведение жесткого намагничивания антиферромагнитной тонкой пленки вызывает сдвиг кривой мягкого намагничивания ферромагнитной пленки. Явление обменного смещения имеет огромную полезность в магнитной записи, где оно используется для фиксации состояния головок считывания жестких дисков точно в точке их максимальной чувствительности; отсюда и термин «предвзятость».

Фундаментальная наука

Легкоосные кривые намагничивания а) мягкой ферромагнитной пленки; б) антиферромагнитная пленка и в) обменно-смещенный бислой, состоящий из ферромагнетика и антиферромагнетика. Восприимчивость (наклон) кривой намагничивания антиферромагнетика преувеличена для наглядности.

Основная физика, лежащая в основе этого явления, — это обменное взаимодействие между антиферромагнетиком и ферромагнетиком на их границе. Поскольку антиферромагнетики имеют небольшую суммарную намагниченность или вообще не имеют ее, внешнее магнитное поле влияет на ориентацию их спина лишь слабо. Мягкая ферромагнитная пленка, которая сильно обменно связана с антиферромагнетиком, будет иметь закрепленные межфазные спины. Изменение момента ферромагнетика будет иметь дополнительные энергетические затраты, соответствующие энергии, необходимой для создания доменной границы Нееля внутри антиферромагнитной пленки. Дополнительный энергетический член подразумевает сдвиг переключающего поля ферромагнетика. Таким образом, кривая намагничивания обменно-смещенной ферромагнитной пленки выглядит так же, как кривая 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 можно задать охлаждением через T _N в присутствии приложенного магнитного поля. Момент магнитоупорядоченного ферромагнетика будет прикладывать эффективное поле к антиферромагнетику при его упорядочении, нарушая симметрию и влияя на образование доменов.

Эффект обменного смещения объясняется ферромагнитной однонаправленной анизотропией, образующейся на границе раздела различных магнитных фаз. Обычно процесс полевого охлаждения от более высокой температуры используется для получения ферромагнитной однонаправленной анизотропии в различных системах обменного смещения. В 2011 году после охлаждения в нулевом поле из ненамагниченного состояния было реализовано большое обменное смещение, которое было связано с вновь образовавшимся интерфейсом 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 предложил бы следующее выражение для энергии на единицу площади:

$E={\frac {1}{2}}nJ_{ex}S_{F}S_{AF}+M_{F}t_{F}H$

где n — количество межфазных спиновых взаимодействий на единицу площади, J _ex — константа обмена на границе раздела, S относится к вектору спина, M относится к намагниченности, t относится к толщине пленки и H — внешнее поле. Индекс F описывает свойства ферромагнетика, а AF — антиферромагнетика. В выражении не учитывается магнитокристаллическая анизотропия , на которую не влияет присутствие антиферромагнетика. В переключающем поле ферромагнетика энергия закрепления, представленная первым членом, и зеемановская дипольная связь, представленная вторым членом, будут точно уравновешиваться. Затем уравнение предсказывает, что сдвиг обменного смещения H _b будет определяться выражением

$H_{b}={\frac {nJ_{ex}S_{F}S_{AF}}{2M_{F}t_{F}}}$

Многие экспериментальные данные, касающиеся обменного смещения, противоречат этой простой модели. Например, величина измеренных значений H _b обычно в 100 раз меньше, чем предсказывает уравнение для разумных значений параметров. Величина гистерезисного сдвига H _b не коррелирует с плотностью n некомпенсированных спинов в плоскости антиферромагнетика, возникающего 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 благодаря синхротронном для конкретных элементов, основанным на экспериментам по магнитному линейному дихроизму излучении , которые могут отображать антиферромагнитные домены, и измерениям частотно-зависимой магнитной восприимчивости , которые могут исследовать динамику. эксперименты на модельных системах Fe/FeF ₂ и Fe/MnF ₂ Особенно плодотворными оказались .

Технологическое воздействие

Первоначально обменное смещение использовалось для стабилизации намагниченности мягких ферромагнитных слоев в считывающих головках 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 твердого опорного слоя в со спиновым клапаном головках считывания и схемах памяти MRAM , которые используют эффект гигантского магнитосопротивления или магнитного туннелирования . Точно так же наиболее совершенные дисковые среды связаны антиферромагнитно, используя межфазный обмен для эффективного повышения стабильности небольших 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 являются антиферромагнитные оксиды структуры каменной соли, такие как NiO, CoO и их сплавы, а также интерметаллиды структуры каменной соли, такие как FeMn, NiMn, IrMn и их сплавы.

История

Обменная анизотропия была открыта Мейкледжоном и Бином из General Electric в 1956 году. Первым коммерческим устройством, в котором использовалось обменное смещение, была IBM с анизотропным магнитосопротивлением (AMR) дисковода записывающая головка , которая была основана на конструкции Ханта в 1970-х годах, но не использовалась. полностью вытеснить головку индуктивного считывания до начала 1990-х годов. К середине 1990-х годов головка спинового клапана, использующая слой обменного смещения, уже была на пути к вытеснению головки AMR.

Ссылки

Мейкледжон, штат Вашингтон; Бин, CP (3 февраля 1957 г.). «Новая магнитная анизотропия». Физический обзор . 105 (3): 904–913. Бибкод : 1957PhRv..105..904M . дои : 10.1103/PhysRev.105.904 .
С. Чикадзуми и С.Х. Чарап, Физика магнетизма, ASIN B0007DODNA.
Ногес, Ж.; Иван К. Шуллер (15 февраля 1999 г.). «Биржевая предвзятость». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 192 (2): 203–232. Бибкод : 1999JMMM..192..203N . дои : 10.1016/S0304-8853(98)00266-2 .
Берковиц, А.Е.; Такано, Кентаро (1999). «Обменная анизотропия — обзор» (PDF) . Журнал магнетизма и магнитных материалов . 200 (1–3). Эльзевир Б.В.: 552–570. Бибкод : 1999JMMM..200..552B . дои : 10.1016/s0304-8853(99)00453-9 . ISSN 0304-8853 . Архивировано из оригинала (PDF) 28 февраля 2006 г.
Джон К. Мэллинсон, Магниторезистивные и спиновые клапанные головки: основы и применение, ISBN 0-12-466627-2 .
Киви, Мигель (сентябрь 2001 г.). «Теория обменного уклона». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 234 (3): 584–595. Бибкод : 2001JMMM..234..584K . дои : 10.1016/S0304-8853(01)00421-8 . hdl : 10533/172470 . S2CID 121873794 .
Иван К. Шуллер и Г. Гюнтеродт, «Манифест биржевой предвзятости», 2002 г.
Хонг, Юнг-Иль; Лев, Тит; Смит, Дэвид Дж .; Берковиц, Ами Э. (21 марта 2006 г.). «Усиление обменного смещения с помощью разбавленных антиферромагнетиков» (PDF) . Письма о физических отзывах . 96 (11). Американское физическое общество (APS): 117204. Бибкод : 2006PhRvL..96k7204H . дои : 10.1103/physrevlett.96.117204 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 16605860 . Архивировано из оригинала (PDF) 7 июня 2011 г.
Ван, Б.М.; Лю, Ю .; Рен, П.; Ся, Б.; Руан, КБ; Йи, Джей Би; Дин, Дж.; Ли, XG; Ван, Л. (17 февраля 2011 г.). «Большое обменное смещение после охлаждения в нулевом поле из ненамагниченного состояния». Письма о физических отзывах . 106 (7). Американское физическое общество (APS): 077203. arXiv : 1101.4737 . Бибкод : 2011PhRvL.106g7203W . дои : 10.1103/physrevlett.106.077203 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 21405539 . S2CID 36603253 .