Физики из МФТИ показали, как охлаждение перестраивает магнитную структуру металлического стекла из железа и гадолиния
Ученые Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ из Долгопрудного, Института сильноточной электроники СО РАН и Института физики прочности и материаловедения СО РАН из Томска показали, как тонкое аморфное покрытие из сплава железа и гадолиния «перестраивает» внутреннюю магнитную структуру при охлаждении. Результаты представляют интерес для разработки магнитных сенсоров, спинтронных устройств и магнитокалорических систем охлаждения.
Магнитокалорические материалы — это материалы, которые могут менять свою температуру под воздействием внешнего магнитного поля. Этот эффект основан на изменении степени порядка в распределении магнитных моментов по объему материала. Особое внимание привлекают аморфные материалы или металлические стекла. В них отсутствуют упорядоченные структуры, характерные для кристаллов, что способствует более легкому переключению между магнитными состояниями.
Одним из ярких представителей магнитокалорических материалов является система редкоземельный металл—переходный металл. Сплавы таких систем способны демонстрировать разные магнитные состояния в зависимости от состава, атомной структуры и температуры. Эти свойства потенциально можно использовать для магнитного твердотельного охлаждения и сенсоров.
Такие материалы можно использовать в низкотемпературных измерениях квантовых устройств, в которых необходимо поддерживать температуры, близкие к температуре жидкого азота — 77 К. По словам исследователей, магнитокалорические материалы перспективны для дополнительного охлаждения, например, от температуры T = 77 К до 65–70 К.
«Наша команда ставила перед собой задачу синтезировать тонкие ферримагнитные покрытия, которые в перспективе могли бы служить твердотельным хладагентом, то есть обеспечивать небольшое дополнительное охлаждение — до 10 градусов — во внешнем магнитном поле», — рассказал Виктор Семин, старший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах ЦМН МФТИ.
В качестве материала для исследований физики выбрали сплав железа и гадолиния (Fe-Gd). Однако для практического использования важно получать не кристаллические, а аморфные покрытия (металлического стекла), в которых атомы не образуют регулярную периодическую решетку, но материал сохраняет металлические свойства. Поэтому ученым было необходимо определить диапазон составов, в котором материал может быть получен в аморфном состоянии, а также понять, как в нем происходит переключение магнитных состояний.
Сначала физики определили составы Fe-Gd, которые могут легко переходить в аморфное состояние. Затем они синтезировали серию тонких покрытий железо—гадолиний Fe-Gd разного состава (Fe₇₅Gd₂₅, Fe₇₄Gd₂₆, Fe₆₈Gd₃₂, Fe₆₅Gd₃₅ и Fe₆₂Gd₃₈) толщиной менее 1 мкм методом магнетронного распыления. После этого они проверили их состав, структуру и качество поверхности. Особое внимание исследователи уделили составу Fe74Gd26, поскольку этот образец имел наименьшее содержание примесей и подходил для подробного исследования магнитных свойств.
Несмотря на то что аморфная структура лишена регулярной кристаллической решетки, в ней наблюдается ближний и средний атомный порядок. Это значит, что ближайшие атомы располагаются не случайным образом, а сохраняют определенный порядок на небольших расстояниях. Ученые предложили модель, в которой локальная структура построена из Fe- и Gd-центрированных кластеров, геометрия которых напоминает икосаэдр.
«Мы впервые предложили модель атомной структуры металлических стекол Fe-Gd, опираясь на собственные данные по диффузному рассеянию рентгеновских лучей. Дополнительно мы провели термодинамические расчеты стеклообразующей способности Fe-Gd-сплавов, предсказав таким образом составы сплавов, в которых можно получать не привычные кристаллы ферромагнетиков (Fe2Gd, Fe3Gd и пр.), а ферримагнитные стекла. Важно отметить, что исследования методом магнитно-силовой микроскопии на этих материалах мы выполнили впервые», — отметил Виктор Семин.
Чтобы понять процесс изменения магнитных состояний, физики исследовали поведение доменной структуры при охлаждении ниже точки магнитной компенсации. Доменная магнитная структура представляет собой микроскопические области — домены, внутри которых магнитные моменты атомов в основном ориентированы в одном направлении. При этом соседние домены могут иметь разное направление намагниченности.
Вблизи точки или температуры магнитной компенсации противоположно направленные магнитные вклады двух подсистем — на основе железа и гадолиния — практически компенсируют друг друга. При дальнейшем охлаждении одна из систем может начать доминировать.
Результаты исследования доменов при комнатной и низкой температурах показали, что при охлаждении образцов структура материала радикально менялась. При комнатной температуре средний размер доменов составлял около 0,67 мкм, а при 23,3 K достигал 10 мкм.
Физики объясняют это переходом материала из ферромагнитного состояния в ферримагнитное. В ферромагнитном состоянии магнитные моменты материала стремятся выстроиться в одном направлении. В ферримагнетике формируются две магнитные подсистемы, направленные противоположно друг другу. Однако их магнитные моменты не равны по величине, из-за чего материал сохраняет магнитные свойства.
В Fe-Gd конкурирующими подсистемами являются области, связанные с атомами железа и гадолиния. При охлаждении вклад атомов гадолиния Gd усиливается, и при температурах ниже 23 K становится доминирующим, заставляя соседние магнитные моменты атомов железа Fe ориентироваться противоположно.
«Очень удивил тот факт, что все пять видов образцов, которые мы синтезировали, демонстрировали фазовое расслоение — необходимое условие наблюдения ферримагнетизма в тонких аморфных пленках. Конечно, главное открытие нас ждало на магнитно-силовом микроскопе. Мы впервые увидели крупнодоменную магнитную структуру, которая довольно легко может переориентироваться в малых внешних полях (до 100 миллитесла). Считаем, что добились успеха при отработке режимов осаждения покрытий и определили те структурно-чувствительные признаки, которые тесно связаны с фазовым переходом из ферромагнитного в ферримагнитное состояние», — поделился Виктор Семин.
Исследование показало, что возможно управлять магнитным состоянием аморфных Fe-Gd-покрытий с помощью изменения состава, температуры и внешнего магнитного поля. Такие материалы рассматриваются как перспективные магнитокалорические системы, магнитные сенсоры и охлаждающие устройства, а управляемые ферримагнитные состояния представляют интерес для спинтроники.
«Мы экспериментально показали, что наши Fe-Gd-покрытия могут легко перемагничиваться за счет формирования двух магнитных “подрешеток”. В перспективе мы хотели бы реализовать эту особенность для облегченного переключения магнитных сенсоров и гетероструктур, в которых наблюдается синергетический эффект от ферримагнитного дальнего порядка и сверхпроводящих свойств Nb-пленки», — сообщил Виктор Семин.
Статья опубликована в Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Работа поддержана грантом РНФ №25-72-00041.
Telegram 
Дзен 
VK 
