
Показано, что быстрота убывания искажений магнитных параметров порядка по мере удаления от границы раздела определяется типом кристаллической структуры слоев и видом среза поверхности, их разделяющей.
Работа поддержана грантом CRDFЦМинобразования РФ № VZ-010-0 и грантом PICS/RFBR N 1573/02-02-22002.
1. Свойствам границы раздела ферромагнетикЦанти- развороте намагниченности ферромагнетика внешним ферромагнетик посвящено большое число работ (см., магнитным полем в антиферромагнетике возникает донапример, обзор [1]). Это обусловлено тем, что явле- менная стенка. Поле сдвига петли гистерезиса можно оценить, приравнивая зеемановскую энергию ферромагние смещения за счет воздействия антиферромагнетика нетика к энергии образования доменной стенки [3,4].
петли ферромагнитного гистерезиса из симметричного по магнитному полю положения, получившее название waf Bex =, (1) однонаправленной анизотропии, или обменного сдвига, Md нашло широкое применение в устройствах магнетоэлекгде waf Ч поверхностное натяжение доменной стенки троники.
в антиферромагнетике, M и d Ч намагниченность и тоТеория однонаправленной анизотропии для случая щина ферромагнитного слоя. Здесь мы полагаем, что компенсированной поверхности антиферромагнетика соэнергия доменной стенки в ферромагнитном слое выше, здана Кооном [2]. Напомним, что в случае компенсирочем в антиферромагнитном.
ванной поверхности магнитный момент атомной плоскоВ настоящей работе исследован закон убывания угсти антиферромагнетика, параллельной границе раздела, лов и в глубь соответствующих слоев.
равен нулю. В отсутствие внешнего поля в обменном 2. Поскольку вдали от температур Кюри и Нееля все приближении вектор намагниченности ферромагнетика характерные масштабы задачи имеют атомный порядок ориентируется перпендикулярно вектору антиферромагвеличины, рассмотрим дискретную решетку спинов, понетизма зеркального антиферромагнетика, на компенсилагая, что тип кристаллической решетки и ее постоянрованную плоскую поверхность которого нанесен ферные одинаковы в ферро- и антиферромагнетике.
ромагнитный слой. Обменное взаимодействие спинов Гейзенберговские обменные взаимодействия соседних нижнего слоя ферромагнетика со спинами верхнего слоя спинов описываются в ферро- и антиферромагнетике антиферромагнетика приводит к их скосу (spin-flop), обменными интегралами Jf > 0 и Jaf < 0 соответственаналогичному скосу подрешеток антиферромагнетика но, а взаимодействие между спином ферромагнетика и в магнитном поле (рис. 1) [2]. Отличие состоит в том, спином антиферромагнетика, ближайшими друг к дручто в приближении взаимодействия ближайших сосегу, Ч обменным интегралом Jf,af. Проведенное в [2] дей обменное поле ферромагнетика действует только моделирование соответствует случаю равенства всех на один атомный слой спинов антиферромагнетика.
обменных энергий. В указанной работе отмечалось, что Поэтому величина скоса (угол ) спадает в глубь угол скоса быстро убывает в глубь антиферромагнетика антиферромагнетика.
и практически равен нулю в пятом-шестом слое.
Наряду с этим имеют место разворот спинов ферроХарактерная длина, на которой происходит спад знамагнетика и возникновение в нем наведенного вектора чений и, зависит от типа кристаллической решетки антиферромагнетизма L (рис. 1). Так же как и в случае и вида среза поверхности. В частности, важную роль игантиферромагнетика, величина угла разворота спадает рает соотношение числа a ближайших к данному спину в глубь ферромагнетика.
соседей, расположенных в соседней атомной плоскости, Взаимодействие намагниченности ферромагнетика и числа b ближайших соседей в своей атомной плосс возникшим в результате скоса подрешеток поверхност- кости для семейства плоскостей, параллельных границе ным магнитным моментом антиферромагнетика, а также раздела (2a + b = z, z Ч полное число ближайших вектора L антиферромагнетика с наведенным антифер- соседей).
ромагнитным моментом ферромагнетика как раз и яв- При заданных a и b выражение для энергии гейляется причиной однонаправленной анизотропии. При зенберговского обменного взаимодействия на границе 1848 А.И. Морозов лежащих на одном перпендикуляре к границе раздела) и NJafSaf Waf = - a cos(1 + 2) +b cos + a cos(i + i-1) +a cos(i + i+1) +b cos 2i i(4) (i Ч угол скоса подрешеток в i-м слое антиферромагнетика; направление скоса совпадает с направлением скоса в верхнем слое, рис. 1).
Минимизируя Wf по переменным j для j 2, находим в рамках теории среднего поля рекуррентную формулу, связывающую значения уголов разворота спинов в соседних слоях, a sin(j - j-1) +a sin(j - j+1) +b sin 2j = 0. (5) Рис. 1. Ориентация спинов в нижнем слое ферромагнети- В случае 1, полагая ка (F) и верхнем слое антиферромагнетика (AF) на примере j = j-1, (6) среза (100) простой кубической решетки.
находим b b b ферромагнетикЦантиферромагнетик Wf,af имеет вид = + 1 - + 2. (7) a a a Wf,af = -Na |Jf,af| SfSaf sin(1 + 1), (2) В некубических решетках величина будет зависеть еще и от отношения обменных интегралов, соответствующих где Sf и Saf Ч средние значения спинов атомов ферроразным межатомным расстояниям.
и антиферромагнетика, N Ч число атомов на атомной Аналогичное рассмотрение для антиферромагнетика плоскости, 1 Ч угол скоса подрешеток в верхней атомдает ной плоскости антиферромагнетика, 1 Ч угол отворота i = -i-1 (8) спинов на нижней атомной плоскости ферромагнетика.
с тем же значением, что и в ферромагнетике. Таким Модули векторов намагниченности подрешеток считаем образом, реальное направление скоса подрешеток пронеизменными. От знака Jf,af зависит только направтивоположно в соседних атомных плоскостях антиферление скоса: при Jf,af > 0 намагниченность верхнего ромагнетика.
слоя антиферромагнетика параллельна намагниченности В приближении малых углов разворота избыточные ферромагнетика, а при Jf,af < 0 антипараллельна [2].
энергии ферро- и антиферромагнетика, связанные с разВ области малых 1 и 1, энергия взаимодействия воротом их спинов, с учетом соотношений (6) и (8) представляется в виде двух независимых слагаемых, преобразуются к виду первое из которых, зависящее от 1, есть энергия, обусловленная взаимодействием спинов ферромагнетика aс наведенным в антиферромагнетике ферромагнитным Wf = NJ2S2 [(b + a)2 - ajj+1] f f j моментом, а второе, зависящее от 1, есть энергия взаj=имодействия спинов антиферромагнетика с наведенным в ферромагнетике вектором антиферромагнетизма.
b a(1 - ) 2 = NJfS21 + NJ2S21, (9) f f f Энергии обменного взаимодействия внутри ферро1 - 2 2(1 + ) и антиферромагнетика равны соответственно aNJfSf Waf = N|Jaf|S2 [(b + a)i + aii+1] af Wf = - a cos(1 - 2) +b cos i= N|Jaf|S2 1, af + a cos(j - j-1) +a cos(j - j+1) +b cos 2j (10) jгде (после некоторых упрощений) (3) (j Ч угол разворота спина в j-м слое ферромагнети = b + b(b + 2a). (11) ка; направление разворота одинаково для всех спинов, Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Магнитная структура компенсированной границы раздела ферромагнетикЦантиферромагнетик В табл. 1 приведены значения a, b, и для некоторых срезов простой кубической (ПК) и объемоцентрированной кубической (ОЦК) решеток. Срез (111) ПКи ОЦК-решеток и срез (001) ОЦК-решетки являются нескомпенсированными.
Минимизируя полную энергию взаимодействия слоев W W = Wf + Waf + Wf,af (12) по 1 и 1, находим соответствующие значения углов a |Jf,af|Sf 1 =, (13) 2 |Jaf|Saf a |Jf,af|Saf 1 =. (14) 2 JfSf Рис. 2. Зависимость угла скоса подрешеток в верхнем слое антиферромагнетика от энергии взаимодействия слоев для Энергия взаимодействия слоев W равна случаев y = 4 (1), 2 (2) и 1 (3).
a2NJ2afS2S2 1 f, f af W = - + (15) 4 |Jaf|S2 JfSaf f В предельном случае 1 = /2 отношение |2|/и определяется наиболее мягкой подсистемой, т. е. слов 1.1-1.4 раза меньше, чем, а последующее уменьем с наименьшей энергией обменного взаимодействия шение i с точностью, лучшей 1%, описывается полуспинов.
ченными для малых углов зависимостями. Расчетные 3. Условие 1, 1 1 эквивалентно условию слабого значения i приведены в табл. 2.
взаимодействия слоев: |Jf,af| Jf, Jaf. В общем случае Формула (1) справедлива, если полная энергия вза(но для кубических решеток, когда обменный интеграл имодействия слоев W, отнесенная к площади слоев, одинаков для всех ближайших соседей) решение запревосходит по модулю waf. В противном случае домендачи определяется тремя безразмерными параметрами:
ная стенка не образуется.
y = b/a, p = |Jf,af|Sf/|Jaf|Saf и q = |Jf,af|Saf/JfSf.
В заключение сформулируем основные выводы раВ случае p 1 или q 1 величина 1 + 1 = /2, боты.
т. е. спины нижнего слоя ферромагнетика параллельны (Jf,af > 0) или антипараллельны (Jf,af < 0) спи- 1) Направления скоса подрешеток антиферромагнетика вблизи границы раздела ферромагнетикЦантиферронам верхнего слоя антиферромагнетика. При этом магнетик противоположны в соседних атомных плоскоW -a|Jf,af|NSfSaf.
стях, параллельных границе раздела.
Если выполнено неравенство q/p 1 (p/q 1), то 2) Закон убывания угла разворота спинов в глубь можно считать, что 1 0 (1 0), и число параметров уменьшается. Найденные в результате численного расче- слоя одинаков для ферро- и антиферромагнитных слоев и определяется видом среза поверхности и типом крита для случая q 1 зависимости 1(p) при различных сталлической решетки слоев. В области малых значений значениях y представлены на рис. 2.
углов он является экспоненциальным.
3) Основной вклад в энергию взаимодействия слоев Таблица 1. Параметры, характеризующие различные срезы связан с разворотом спинов в слое с меньшей энергией кубических кристаллов обменного взаимодействия.
Вид ре- Автор благодарен Ю.В. Пыльнову за помощь в расСрез a b шетки четах и Ecole Centrale de Lille за создание условий для плодотворной работы.
ПК (100) 1 4 5 - = 0.101021 2+ = 4.24 ПК (110) 2 2 2 - = 0.267949 1+3 = 2.ОЦК (110) 2 4 3 - 8 = 0.171573 2(1+ 2)=4.Список литературы [1] J. Nogues, I.K. Schuller. J. Magn. Magn. Mater. 192, 2, Таблица 2. Значения углов скоса для первых трех атомных 203 (1999).
плоскостей антиферромагнетика при 1 = /[2] N.C. Koon. Phys. Rev. Lett. 78, 25, 4865 (1997).
[3] A.P. Malozemoff. Phys. Rev. B 35, 7, 3679 (1987).
y 1 2 [4] D. Mauri, H.C. Siegmann, P.S. Bagus, E. Kag. J. Appl. Phys. 62, 7, 3047 (1987).
4 1.5708 0.1125 0.2 1.5708 0.2077 0.1 1.5708 0.3661 0.Физика твердого тела, 2003, том 45, вып.
Книги по разным темам