Наука и образование

Развитие методов характеризации перспективных материалов спинтроники

Неколлинеарные структуры в нецентросимметричных магнетиках привлекают к себе значительное внимание исследователей. Обнаруженные в них одиночные скирмионы и упорядоченные решетки скирмионов имеют многообещающие технологические применения в приборах спинтроники. В данном контексте особую важность приобретает развитие методов экспериментальной характеризации соответствующих материалов и теоретических концепций, описывающих их свойства.

В предыдущей работе группой исследователей из НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ во главе с г.н.с. С.В. Григорьевым было продемонстрировано, что малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН) на спиновых волнах в кубических спиральных магнетиках позволяет определять важные параметры модели для их описания [S.V. Grigoriev, Phys. Rev. B 92, 220415(R) (2015)].

В другом типе нецентросимметричных магнетиков, так называемых полярных магнетиках, взаимодействие Дзялошинского-Мория делает энергетически выгодными магнитные циклоиды и неелевские скирмионы (см. Рис.1), которые недавно были обнаружены экспериментально. Более того, такой же симметрией обладают магнитные тонкие пленки и многослойные структуры, где взаимодействие Дзялошинского-Мория возникает на интерфейсах между слоями.

В новой работе [Oleg I. Utesov, Phys. Rev. B 106, 174408 (2022)] н.с. ОТФ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ О.И. Утесовым проведено теоретическое исследование особенности МУРН в полярных магнетиках. Теоретическая модель включала симметричное обменное взаимодействие, взаимодействие Дзялошинского-Мория, одноосную анизотропию и взаимодействие с внешним магнитным полем. Важно отметить, что в этом случае динамика системы характеризуется двумя константами жесткости спиновых волн: в направлении высокой симметрии (оси z) и перпендикулярно ему. Было показано, что в сильных полях вдоль оси z спектр магнонов имеет форму, аналогичную спектру анизотропного ферромагнетика. Напротив, для полей в перпендикулярном направлении спектр является квадратичным, но сдвинутым на вектор модуляции циклоиды. При этом значения щели в спектре существенно отличаются для двух описанных выше случаев. Для экспериментов по МУРН были проанализированы четыре различных геометрии по ориентации внешнего магнитного поля и плоскости детектора [см. Рис.2]. Показано, что в рассматриваемом типе магнетиков также должна наблюдаться отсечка в сигнале (по аналогии с работой Григорьева), однако она не всегда изотропна и может представлять собой эллипс [Рис.2 (b) и (d)]. Отношение полуосей эллипса напрямую связано с отношением жесткостей спиновых волн вдоль и поперек направления высокой симметрии. Полученные в работе формулы описывают поведение кривых отсечки в зависимости от величины и направления магнитного поля и параметров модели, что позволяет определять все эти величины из экспериментальных данных. Также в статье обсуждаются перспективы использования развитого метода для характеризации магнитных наноструктур с интерфейсным взаимодействием Дзялошинского-Мория.

В заключение, О.И. Утесов отмечает, что представленные в работе результаты могут быть непосредственно использованы на практике и надеется, что экспериментальная проверка предложенного метода характеризации полярных магнетиков не заставит себя долго ждать.