Syntetyczne warstwowe struktury magnetyczne z regulowanym interfejsowym oddziaływaniem Działoszyńskiego-Moriyi, prostopadłą anizotropią magnetyczną i międzywarstwowym sprzężeniem

NCN ID: 2020/37/B/ST5/02299

Współczesne technologie pozwalają na wytwarzanie nowych materiałów z precyzją atomową o
niespotykanych dotąd właściwościach. W niniejszym projekcie badane będą układy magnetyczne złożone z
wielu warstw składowych, z których każda zbudowana jest jedynie z kilku warstw atomowych. W takich
strukturach udział atomów tworzących granicę warstwy (interfejs) jest znaczny. Ponieważ właściwości
magnetyczne atomów interfejsu różnią się od tych w środku warstwy ze względu odmienną symetrię
otoczenia, tego typu struktura charakteryzuje się odmiennymi właściwościami niż materiał objętościowy.
Jednym z istotniejszych osiągnięć badań nanostruktur jest uzyskanie prostopadłego namagnesowania, gdy
grubość składowej warstwy magnetycznej maleje poniżej pewnej krytycznej wartości. Ponadto, w przypadku
występowania sprzężenia (IC) pomiędzy warstwami magnetycznymi, można wytworzyć materiały będące
syntetycznymi ferromagnetykami lub antyferromagnetykami o odpowiednio równoległym bądź
antyrównoległym ułożeniu namagnesowania.
Podejmowane w tym projekcie badania mają na celu określenie wpływu parametrów,
charakteryzujących wytwarzane struktury, na ich właściwości magnetyczne. Należą do nich: rodzaj warstw
składowych, sekwencja ich ułożenia (skutkująca uformowaniem się określonych interfejsów), grubość
warstw składowych. Jedną z podstawowych właściwości jest prostopadła anizotropia magnetyczna (PMA).
Powoduje ona, że namagnesowanie warstwy jest prostopadłe do jej powierzchni. Cecha ta jest wykorzystana
np. do zwiększenia gęstości zapisu informacji na magnetycznych dyskach twardych. Wielkość anizotropii
odpowiada również za czasową trwałość tego zapisu oraz determinuje różne konfiguracje namagnesowania
w materiale.
Od kilku lat intensywnie badane są nanostruktury, w których dodatkowy wpływ na właściwości
magnetyczne wywiera kolejny czynnik, określany mianem oddziaływania Działoszyńskiego-Moriji (DMI).
Oddziaływanie to powoduje, że namagnesowanie ulega ciągłemu skręceniu w przestrzeni próbki. Źródłem
DMI jest specyficzne oddziaływanie pomiędzy atomami warstwy ferromagnetycznej, FM (np. Co lub Fe) z
atomami sąsiadującej warstwy niemagnetycznej wykonanej z metali ciężkich, HM (np. Pt, Ir, W, Pd)
poprzez wytworzony interfejs. Bardzo wyraźnie pojawia się ono w asymetrycznych strukturach
warstwowych typu HM1/FM/HM2, które będą badane w tym projekcie. W wyniku kolektywnego wpływu
PMA, DMI oraz IC, w badanych warstwach mogą powstawać zróżnicowane konfiguracje struktury
magnetycznej, zmieniające się pod wpływem przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego. Wśród nich
są skyrmiony – lokalne stabilne wiry namagnesowania o bardzo małych rozmiarach rzędu nanometrów –
które obecnie są bardzo intensywnie badane.
Opisywane struktury są wytwarzane w specjalistycznych układach, w warunkach bardzo wysokiej
próżni. Ich właściwości magnetyczne i konfiguracje namagnesowania będą badane zarówno w skali
globalnej (tzn. w skali całej próbki), jak i lokalnie (obszarach submikronowych). Liczne techniki pomiarowe
zastosowane do badań właściwości statycznych i dynamicznych tych materiałów wykorzystują zjawisko
indukowania prądu elektrycznego (magnetometria), magnetyczne oddziaływania dipolowe (mikroskopia sił
magnetycznych), oddziaływanie światła (techniki magnetooptyczne oraz nieelastyczne rozpraszanie
Brillouina) lub przepływających elektronów (transmisyjna mikroskopia Lorentza), a także pochłanianie
przez nie promieniowania synchrotronowego, wytwarzanego w akceleratorach. Wyniki eksperymentalne
będą równolegle symulowane w obliczeniach teoretycznych. Porównanie uzyskanych rezultatów pozwoli na
pełniejszą interpretację wyników prowadzonych badań oraz głębszy wgląd w fizyczną naturę analizowanych
układów.
Proponowane badania mają na celu zrozumienie zjawisk magnetycznych pojawiających się na
poziomie atomowym (nanomagnetyzm) w sztucznie wytworzonych materiałach. Realizowane są one na
kilku stopniach złożoności – od pojedynczych ”bloków” do bardziej złożonych układów zbudowanych z
coraz większej ilości tych „bloków”. Dzięki takiemu podejściu możliwe będzie wytworzenie inteligentnych
materiałów o z góry zdefiniowanych właściwościach. W obecnych czasach bardzo intensywnie rozwija się
spintronika – nowa gałąź elektroniki – wykorzystująca nie tylko fakt, że elektron ma ładunek elektryczny,
ale również spin. Powoduje on, że elektron zachowuje się jak magnes, którego ruch może być kontrolowany
nie tylko poprzez przyłożone napięcie elektryczne, ale również przez zewnętrzne pole magnetyczne. W
konsekwencji przepływ prądu może zależeć od konfiguracji namagnesowania próbki. Przepływający prąd
może również modyfikować strukturę magnetyczną próbki. Bogactwo tych oddziaływań, kontrolowanych
czynnikami zewnętrznymi powoduje, że nowe materiały mogą być wykorzystane do budowy urządzeń
elektronicznych o niespotykanej dotąd funkcjonalności (np. rekonfigurowalne polem magnetycznym
metamateriały – kryształy magnoniczne). Wspomniane wcześniej skyrmiony są traktowane jako stabilne
obiekty (kwazicząstki) o dobrze określonych parametrach, które mogą być w kontrolowany sposób
generowane, anihilowane lub przesuwane w przestrzeni próbki za pomocą płynącego prądu. Dlatego też
badane są one intensywnie również pod kątem praktycznych zastosowań jako nośniki informacji
magnetycznej lub medium w urządzeniach wykonujących operacje logiczne

Więcej na stronach Wydziału Fizyki UwB

Informacja o projekcie na stronach NCN