Российские ученые исследовали динамическое перемагничивание в синтетическом ферримагнетике GdFeCo/Ir/GdFeCo, происходящее за счет тепловых флуктуаций. Результаты этой работы важны для разработок в области оптомагнитной записи информации.
Тепловые процессы и перемагничивание материалов: шаг к нейроморфным технологиям / © Пресс-служба МФТИ
Исследование опубликовано в Journal of Physics D: Applied Physics. Ферримагнетики — материалы, у которых магнитные моменты атомов различных подрешёток ориентируются антипараллельно. Они обладают способностью спонтанно намагничиваться.
Перемагничивание — это процесс изменения направления намагниченности материала. Проще говоря, это как если бы постоянный магнит мог менять местами северный и южный полюса. При перемагничивании магнитные моменты материала меняют ориентацию под воздействием внешнего магнитного поля.
Ферримагнетик GdFeCo/Ir/GdFeCo состоит из двух слоев GdFeCo (сплав гадолиния, железа и кобальта), разделенных тонким слоем иридия (Ir). Этот слой играет роль инструмента в формировании обменного взаимодействия между двумя слоями GdFeCo, подбор оптимальной толщины Ir задает несколько типов устойчивых состояний. Таким образом, ферримагнетик обладает четырьмя типами устойчивых состояний с определенным типом намагниченности (P+, AP+, AP− и P−), где P+ и P−, когда слои GdFeCo параллельны друг другу, а AP+ и AP− — антипараллельны. Эта структура может как стохастически, т. е. случайно, перемагничиваться при переходе из AP+ в AP−, так и стабильно переходить из состояния P+ в AP+ без временной задержки.
«Перемагничивание можно объяснить бинарной логикой: 0 — спины вверх, а 1 — спины вниз. Переключение между 0 и 1 состояниями и есть перемагничивание структуры. В нашем случае появляются промежуточные состояния, которые можно расценивать как еще два значения для логики», — пояснил Максим Бахметьев, научный сотрудник МФТИ.
Физики изучали, как тепловые магнитные флуктуации — случайные изменения магнитных свойств материала, вызванные тепловой энергией — влияют на его перемагничивание. Это необходимо в разработках по уменьшению спинтронных устройств (магнитные считывающие головки и оперативные запоминающие устройства). Для них тепловое влияние становится значительным, поскольку оно увеличивается с уменьшением размера устройства.
Ученые использовали тепловые флуктуации как «кнопку запуска» перемагничивания в ферримагнетике. С помощью тепловых флуктуаций система может как просто переключаться между двумя состояниями, так и переходить в одно из нескольких возможных устойчивых магнитных состояний.
В эксперименте физики воздействовали на структуру внешним магнитным полем, величина которого отличалась от критического магнитного поля (при котором происходит гарантированное и мгновенное изменение намагниченности). Исследователи изучали, как случайные тепловые колебания со временем могут «подтолкнуть» систему к выбору одного из стабильных магнитных состояний.
Они обнаружили, что изменение намагниченности происходит с временной задержкой и непредсказуемо. При магнитных полях, немного ниже критического, перед перемагничиванием система демонстрировала задержку, величина которой менялась от секунд до минут случайным образом. Ученые объясняют это временем ожидания тепловых флуктуаций, способных сформировать область нового устойчивого состояния, которое затем быстро распространяется по всей пленке. Минимальный размер области с другой намагниченностью равен 6,8 нм³. Чем ближе значение внешнего поля к критическому, тем меньше требуется времени для ее формирования. Как только она образовалась, переключение всей структуры происходит практически мгновенно.
Ученые оценили энергию, необходимую для создания такой области, в 1 эВ при магнитном поле 700 Э. Эта величина зависит от магнитных свойств материала (магнитной анизотропии) и вклада внешнего магнитного поля, которое может усиливать или ослаблять перемагничивание.
Своим исследованием ученые доказали, что при определенных условиях тепловые флуктуации имеют решающую роль в перемагничивании синтетических ферримагнетиков. Это влияние проявляется в виде случайной задержки переключения. В глобальном масштабе такие вероятностные процессы применимы в нейроморфных приложениях, например имитация передачи сигнала в синапсе головного мозга.
«Сейчас в компьютерной памяти используются в основном один ферромагнитный слой достаточно простой, например NiFe или CoFe, GdFeCo. Использование двухслойных пленок GdFeCo способно расширить магнитную память в два раза путем замены таких материалов на GdFeCo/Ir/GdFeCo, так как они обладают не двумя магнитными состояниями, а четырьмя», — рассказал Роман Моргунов, старший научный сотрудник РКЦ.
«В дальнейшем мы хотим исследовать поведение данных пленок при понижении температуры и регистрации процесса стохастического перемагничивания уже в условиях низких температур. Другой путь — это манипуляции электрическим током, то же самое только переключение происходит не полем, а током», — поделился Александр Чернов, научный руководитель РКЦ.
В работе участвовали ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН, Российского квантового центра и Первого московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова.
