Введение к работе
Актуальность темы
В течение последнего десятилетия наблюдается неуклонный рост интереса к изучению свойств магнитных нанообъектов и ігх систем, что связано с появлением технологических возможностей их изготовления и экспериментального исследования. Первоначально это были сверхтонкие магнитные пленки и сверхрешетки из чередующихся магнитных и немагнитных материалов, трехслойные магнитные структуры, как системы, наиболее простые в изготовлении [1]. Дальнейший шаг в области изучения магнитных нанообъектов был сделан в самые последние годы и связан с исследованием еще более экзотических искусственных систем — магнитных сверхтонких нитей, магнитных наночастиц'и их решеток [2]. Существенная особенность вновь созданного класса магнитных систем - возможность гибкого управление их физическими свойствами (величиной магнитной анизотропии, обменного взаимодействия между пленками и т.д.) в процессе изготовления. Это открывает новые возможности для создания устройств с уникальными параметрами, как в сфере традиционного применения магнитных материалов, так и для принципиально новых технических применений [3]. Особенно актуальными являются исследования, связанные с разработкой систем сверхплотной магнитной записи информации и электронных устройств, позволяющих ее считывать. В связи с этим наблюдается бурный рост числа работ, посвященных изучению свойств систем магнитных наночастиц и магнитных сверхрешеток. Первые являются перспективными в плане создания устройств со сверхплотной побитовой магнитной записью информации (с плотностью бит/частица), вторые служат основой для разработки датчиков магнитного поля, использующих эффект гигантского магнитосопротивления.
Одной из существенных черт рассматриваемых систем является наличие взаимодействия между магнитными нанообъектами. Исследование свойств различных видов нелокального взаимодействия между нанообъектами актуально с нескольких точек зрения:
взаимодействие через электроны проводимости в магнитных сверхрешетках [4] приводит к появлению эффекта гигантского
магнитосопротивления, используемого при создании датчиков магнитного поля. Эффект гигантского магнитосопротивления в граігулированньїх материалах также не может быть адекватно объяснен без учета непрямого обменного взаимодействия между кластерами [5]. Заметим сразу, что взаимодействие в системах магнитных нанообъектов может быть реализовано благодаря разным механизмам;
- наиболее эффективно магнитная запись может быть осуществлена на системе, состоящей из коэрцитивных магнитных наночастиц, плотно расположенных на подложке [6]; взаимодействие в регулярных решетках магнитных наночастиц может приводить к коллективным эффектам, что является принципиальным ограничением на плотность магнитной записи информации [7].
- взаимодействие кардинальным образом зависит от геометрии систем магнитных нанообъектов и является наиболее легко управляемым параметром системы [8]. Знание свойств различных видов взаимодействия может быть использовано при создании магнитных объектов с заранее заданными свойствами.
Наличие взаимодействия должно проявиться в появлении коллективного поведения системы, следовательно, изучая коллективные эффекты, мы сможем судить о характере, величине, свойствах непрямого обменного взаимодействия в ней. Такие экспериментальные исследования широко проводятся в настоящее время. Что касается систем с нелокальным взаимодействием между магнитными нанообъектами через электроны проводимости, то исследуются как двумерные [9], так и трехмерные системы [10,11]. В последних двух работах прямо сообщается о наблюдении фазовых переходов между магнитоупорядоченным и неупорядоченным состояниями в системе магнитных нанокластеров. Влияние дипольного взаимодействия на свойства двумерных систем магнитных нанообъектов: магнитных кластеров и наночастиц [ 12-16] и магнитных нанополосок [ 17,18] также широко исследуется. Сообщается о влиянии дипольного взаимодействия на процессы перемапшчивания и о возможном наблюдении фазового перехода по температуре между магнитоупорядоченным и суперпарамагнитньш состояниями. Отмечу, что подавляющее количество работ посвящено исследованию коллективных свойств систем, полученных методом самоорганизации, то есть имеющих широкий
разброс параметров. В связи с этим особую актуальность имеет исследование коллективных эффектов в регулярных системах. Необходимо подчеркнуть, что в силу того, что гамильтониан дипольного взаимодействия точно известен, экспериментальное изучение регулярных решеток дипольно взаимодействующих наночастиц имеет не только прикладное, но и немалое фундаментальное значение в плане решения вопросов статистической физики.
Цель работы
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование свойств различных видов взаимодействия между магнитными нанообъектами — кластерами, сверхтонкими нитями и пленками, а также изучение коллективных эффектов, возникающих в ансамблях таких объектов благодаря взаимодействию.
Научная новизна
В рамках общего направления изучения свойств магнитных нанообъектов и их ансамблей в данной диссертационной работе проведено исследование коллективного поведения различных систем магнитных нанообъектов, именно:
-
Аналитически и численно исследован ферромагнитный резонанс в трехслойных системах, состоящих из двух ферромагнитных слоев, разделенных слоем антиферромагнитного материала; определено влияние непрямого обмешюго взаимодействия между ферромагнитными слоями на зависимость частот ФМР от внешнего магнитного поля. Впервые исследовано влияние антиферромагнитного упорядочения в разделяющем слое на СВЧ свойства системы. Определены параметры системы (соотношения между константами анизотропии, обменного взаимодействия и внешнего магнитного поля), при которых распределение намагниченности в системе однородно.
-
Теоретически исследовано взаимодействие Рудермана - Киттеля -
Касуйи - Йосиды (РККИ) между магнитными кластерами конечных размеров. Определено влияние размерности кластера на взаимодействие между ними.
-
Теоретически и численно исследована система магнитных диполей, размещенных на ромбической решетке. Проанализирована устойчивость состояния с ферромагнитным типом дальнего порядка в зависимости от параметров и симметрии решетки. Исследованы свойства (энергия, распределение намагниченности) неоднородных состояний на ограниченных дипольных решетках. Аналитически вычислены члены разложения Фурье-образа дипольного тензора вблизи центра зоны Бриллюена и определен их физический смысл. Исследованы свойства одиночного дефекта на двумерной решетке диполей, определена устойчивость магнитоупорядоченного состояния на дипольной решетке со случайно распределенными дефектами.
-
Впервые экспериментально исследованы коллективные эффекты регулярных прямоугольных решеток наночастиц пермаллоя. Выяснено влияние дипольного взаимодействия на магнитную восприимчивость таких систем. Численно промоделированы свойства системы диполей на прямоугольной решетке.
Основные работы по теме диссертации выполнены в период с 1993 по 1998 год.
Научная и практическая ценность
Разработанные в ходе выполнения диссертационной работы теоретические подходы позволяют оценивать энергию нелокального обменного взаимодействия в системах магнитных нанообъектов, что важно при создании магнитных сред для записи информации и магнитных датчиков. Разработаны и апробированы экспериментальные методы по прямому наблюдению коллективных эффектов в системах магнитных нанообъектов, обусловленных взаимодействием между ними. Разработаны численные модели систем магнитных нанообъектов, хорошо описывающие их поведение, наблюдаемое в проводимых
экспериментах. Полученные результаты могут быть использованы для расчета и анализа магнитных свойств искусственных магнитных материалов, создаваемых на основе двумерных решеток магнитных наночастиц и магнитных сверхрешеток.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на 29 Совещании по физике низких температур, Казань, 1992 г.; на международном симпозиуме по теоретической физике "Коуровка-94" — Магнитные многослойки и магнетизм низкоразмерных систем (Magnetic Multilayers and Low Dimensional Magnetism), Екатеринбург, 1994 г.; на XVI международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 1998 г.; на Московском международном симпозиуме по магнетизму MISM99, 1999 г.; на VII Международном симпозиуме "Наноструктуры — физика и технология" (Nanostructures: physics and technology).
Публикации
Основное содержание работы отражено в публикациях [A-R].
Объем и структура диссертации
