Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 5 Высокоамплитудная прецессия и динамическая невосприимчивость магнитных моментов двухслойной пленки й Д.И. Семенцов, А.М. Шутый Ульяновский государственный университет, 432700 Ульяновск, Россия E-mail: shuty@mail.ru (Поступила в Редакцию 26 июня 2002 г.

В окончательной редакции 14 октября 2002 г.) В продольном переменном поле исследуется прецессионное движение намагниченности в системе двух магнитосвязанных слоев с антиферромагнитным типом связи. Выявлены новые динамические режимы, характеризующиеся большими амплитудами прецессии, удвоением периода и эффективно управляемые внешним подмагничивающим полем. Обнаружен новый эффект динамической невосприимчивости магнитной подсистемы к возмущающему воздействию переменного поля.

Работа поддержана грантом Минобразования России № PD02-1.2-72.

Исследованию статических и динамических свойств лическими с одноосной магнитной анизотропией. Тиразличных магнитосвязанных структур уделяется боль- пичным представителем подобных структур являются шое внимание уже на протяжении многих лет [1Ц6]. пленки на основе пермаллоя с немагнитными прослойСреди подобных структур можно выделить структуры со ками из SiO2 [2]. Данного типа структуры достаточно слабой межслойной связью, обусловленной взаимодей- широко используются в различных устройствах СВЧ ствием магнитостатической природы [1,2], и с сильной диапазона.

связью, обусловленной косвенным обменным взаимо1. Рассмотрим структуру с двумя слоями ферромагдействием [3Ц5]. Именно характер межслойной свянитного металла, разделенными немагнитной прослойзи во многом определяет особенности статического кой. Каждый из магнитных слоев характеризуется толи динамического поведения намагниченности в таких щиной di, намагниченностью Mi и плоскостной одноосструктурах. При взаимодействии высокочастотного поля ной анизотропией с константой Ki. Внешнее подмагникак с однослойными, так и с многослойными структучивающее H и высокочастотное h(t) поля направлены рами особый интерес представляют динамические ревдоль совпадающих осей легкого намагничивания слоев.

жимы, приводящие к резкому увеличению амплитуды Энергия магнитной подсистемы в расчете на единицу прецессионного угла намагниченности [6Ц9]. Для резоплощади пленки имеет вид нансного возбуждения прецессии спиновой подсистемы как однослойных, так и мультислойных тонкопленочE = di{Ki sin2 i - (H + h)Mi cos i cos i ных структур слабым переменным полем, т. е. в облаi=1,сти линейного ферромагнитного резонанса, используют, как правило, высокочастотное поле, перпендикулярное - 2M2 cos2 i} + AM1M2di подмагничивающему статическому полю [2,10]. Однако с ростом амплитуды высокочастотного поля Ч при [cos 1 cos 2 cos(1 - 2) +sin 1 sin 2], (1) переходе в область нелинейного резонанса Ч возрастает эффективность возбуждения спиновой систегде d12 = d1d2(d1 + d2)-1 Ч приведенная толщина двух мы продольным полем [11]. В двухслойных структумагнитных слоев; A > 0 Ч константа отрицательной рах с антиферромагнитным типом связи, обеспечивасвязи магнитных слоев, определяемая главным образом ющим в отсутствие подмагничивающего поля протиполями размагничивания и зависящая в общем случае воположную ориентацию магнитных моментов слоев, от толщины и материала прослойки, ее структурных хас помощью продольного переменного поля возможно рактеристик [1]; азимутальный угол i, отсчитываемый более эффективное возбуждение магнитной подсистемы от оси y, и угол выхода из плоскости пленки i задают в широком частотном интервале. В настоящей рабонаправления вектора Mi в горизонтальной и вертикальте исследуются новые высокоамплитудные динамиченой плоскостях. Принятый здесь знак константы связи ские режимы прецессионного движения намагниченобеспечивает антипараллельность магнитных моментов ностей слоев в магнитосвязанной системе подобного слоев в равновесном состоянии при H = 0.

типа в продольном СВЧ поле. Анализ динамического поведения будет ограничен структурами с магнито- Уравнения движения для векторов намагниченности статической межслойной связью. В таких структурах каждого из слоев Mi выбираем в форме ЛандауЦЛифшимагнитные слои, как правило, являются поликристал- ца, которые в сферической системе координат запишем 878 Д.И. Семенцов, А.М. Шутый следующим образом:

E i 1 E i Midi sin i = +, i Mi sin i i i E 1 E iMidi = -, (2) Mi i sin i i где Ч гиромагнитное отношение, i Ч параметры затухания в соответствующих слоях [10].

При расчете будем использовать параметры, близкие к параметрам реальных пленок пермаллойного класса [2]: 1 = 2 = 5 107 s-1, поле анизотропии и намагниченность первой пленки Hk1 = 10 Oe, 4M1 = 1.1 104 G, второй пленки Ч Hk2 = 5Oe, 4M2 = 8 103 G; = 1.76 107 (Oe s)-1; толщины обеих пленок выберем равными, т. е. d1 = d2 = 0.1 m.

С учетом больших размагничивающих полей для указанного типа пленок (4Mi Hki, AMi) амплитуда преРис. 1. Полевые зависимости равновесных ориентаций магцессии намагниченности по полярному углу значительно нитных моментов каждого из слоев от подмагничивающего меньше амплитуды изменения азимутального угла. Так, поля H для константы связи A = 0.01, 0.03 и 0.05.

в отсутствие подмагничивающего поля i h/4Mi, тогда как i h/Hki. С учетом того, что i i, можно в дальнейшем считать углы выхода магнитных моментов углового расталкивания магнитных моментов пленок, слоев из плоскости пленки равными нулю.

и направление вектора M1 также становится отличным 2. Для определения равновесных азимутальных угот исходного. При H = Hc состояние системы с 02 = лов 0i используем условия равновесия E/i = 0, оказывается неустойчивым, и намагниченность второй 2E/i > 0, приводящие с учетом (1) к системе уравпленки с равной вероятностью может развернуться как нений в направлении 02 <, так и в направлении 02 >.

Соответственно намагниченность первой пленки будет Ki sin 20i + HMi sin 0i - Ad3-i(d1 + d2)-разворачиваться в направлении 01 < 0 или в направ M1M2 sin(0i - 03-i) =0, лении 01 > 0. В результате устанавливается одно из двух равновесных состояний, симметричных относительHki cos 20i + H cos 0i - Ad3-i(d1 + d2)-но направления приложенного поля. Дальнейшее увеличение поля приводит к уменьшению угла между M M3-i cos(0i - 03-i) > 0, i = 1, 2. (3) и M2, и при H = Ha этот угол обращается в нуль, т. е. при H Ha равновесным является сонаправленное Аналитическое решение этих уравнений возможно состояние указанных векторов.

только в случае малых равновесных углов, когда При уменьшении подмагничивающего поля, когда 0i 1, что имеет место при H Hki [12]. В общем же исходной является сонаправленная ориентация магнитслучае значений входящих в (3) параметров эти углы ных моментов, одно из двух симметричных неколуже не малы, поэтому анализ системы (3) возможен линеарных состояний реализуется после достижелишь численными методами. Так, на рис. 1 приведены зависимости равновесных азимутальных углов намаг- ния значения H = Ha, являющегося бифуркационным.

ниченности в слоях 01 (штриховые кривые) и 02 Неколлинеарным состояниям магнитных моментов пле(сплошные кривые) от подмагничивающего поля H (ори- нок соответствует интервал подмагничивающего поля Hb < H < Ha, увеличивающийся с ростом константы ентированного в исходном состоянии вдоль вектора M1), связи. При значении H = Hb происходит ориентационполученные для значений константы A =(1; 3; 5) 10-ный фазовый переход, приводящий к состоянию с про(кривые 1Ц3), соответствующей магнитостатической тивоположно направленными магнитными моментами связи. При увеличении подмагничивающего поля до пленок. В случае малых значений константы связи значения Hc в системе связанных магнитных моментов происходит ориентационный фазовый переход. В случае (кривая 1) Hb Ha, поэтому неколлинеарные равновес= малых значений константы связи, когда A Ac (кри- ные состояния практически отсутствуют. В зависимости вые 1), в точке фазового перехода направление намагни- от величины A значение Ha может быть как больше ченности второй пленки меняется на противоположное значения Hc, так и меньше. При выбранном направи вектор M2 становится параллельным вектору M1. лении подмагничивающего поля Hc > Hb, и изменение В случае A > Ac (кривые 2 и 3) перемагничивание вто- величины H обусловливает ориентационный гистерезис.

рой пленки отличается от 180-градусного в результате Видно, что увеличение константы связи приводит к сблиФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. Высокоамплитудная прецессия и динамическая невосприимчивость магнитных моментов... жению значений Hc и Hb и, следовательно, к сужению петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса может быть доведена до долей эрстеда, что весьма важно для реализации рассматриваемых далее динамических режимов. Точное значение поля Hc, при котором состояние с углами 01 = 0 и 02 = перестает быть равновесным, определяется выражением:

Hc = 1/4 G1 + G2 + 8G2, (4) где G1 = A(M1 - M2) +2(Hk2 - Hk1) и G2 = A(M1Hk+M2Hk2)+2Hk1Hk2. Величину поля Ha можно получить из (4), поменяв знак перед M2 и Hk2. Значение константы связи Ac находится из равенства Hc = Ha.

3. Проведенный выше анализ условий равновесия магнитных моментов слоев показывает, что в исследуемой структуре при определенных значениях подмагничивающего поля имеют место ориентационные фазовые переходы, при которых изменение ориентации намагниченности в слоях имеет скачкообразный характер. Вблизи указанных значений поля H и создаются наиболее благоприятные условия для возбуждения слабым высокочастотным полем h различных динамических режимов, чувствительных к малым изменениям параметров системы и величин полей. Для эффективного возбуждения магнитных колебаний в продольном переменном поле следует использовать системы, в которых реализуются узкие ( H 1Oe) петли гистерезиса. Величина подмагничивающего поля при этом должна либо находиться внутри петли, либо быть близка к ее критическим значениям.

На рис. 2 для значений константы связи A = 0.приведены временные зависимости азимутальных углов магнитных моментов слоев на частотах =(0.1; 7; 16) 108 s-1 (a, b и c) при амплитуде СВЧ поля h = 1 Oe и величине подмагничивающего поля H = 19 Oe. Из приведенных зависимостей следует, что на малых частотах (a) возникает ДимпульсныйУ режим колебаний с короткими переходными участками и периодом, равным периоду переменного поля Th.

Амплитуда данного режима определяется разностью углов равновесных стационарных положений при выбранных величинах H и A (01 0, 30; 02 180, 89) и слабо зависит от амплитуды переменного Рис. 2. Временные зависимости азимутальных углов магнит ных моментов слоев на частотах продольного возмущающего поля h. Колебания магнитного момента каждого из поля, соответствующих высокоамплитудным режимам прецесслоев происходят между двумя потенциальными ямами, сии. 10-8, s-1: a Ч0.1, b Ч7, c Ч 16.

а СВЧ поле выводит систему из состояния равновесия и компенсирует потери энергии прецессионного движения. При A = 0.05 минимальная амплитуда переменного поля, при которой реализуется данный колебательный колебаний за счет изменения величины подмагнирежим, составляет hmin 0.7 Oe. Увеличение h до 1 Oe чивающего поля. В частности, при смещении H и даже более не приводит к заметным изменениям к левому краю петли гистерезиса (H = 18.3Oe) параметров режима. С ростом константы связи A из-за длительность ДимпульсаУ уменьшается, что показано сужения ориентационной петли гистерезиса пороговое на рис. 2, a штриховой линией. Поскольку помимо значение переменного поля уменьшается, и при равновесной ориентации с противоположно направA = 0.06 имеем hmin 0.4 Oe. В представленном режиме оказывается возможным управление ДскважностьюУ ленными магнитными моментами в рассматриваемом Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 880 Д.И. Семенцов, А.М. Шутый период колебаний также оказывается в 2 раза больше периода СВЧ поля, но имеет лишь по одному максимуму и минимуму (c). Отметим, что при поперечном поле той же амплитуды и частоты максимально достижимые углы прецессии магнитных моментов не превышают 10.

Между частотными интервалами, где реализуются прецессионные режимы (a) и (b), имеется область частот переменного поля, при которых возникает чередование произвольных по величине временных про межутков, включающих в себя ряд периодов одного из двух симметричных относительно направления = колебаний, в результате чего устанавливаются хаотические режимы колебаний. На рис. 3 представлены хаотические колебания, имеющие место на частотах = (2.9; 3) 108 s-1 (a и b). Видно, что данные режимы оказываются очень чувствительными к частоте переменного поля.

На рис. 4 для указанных значений полей и константы связи приведены зависимости i (t) на частотах =(7.15; 7.4; 7.5) 108 s-1 (кривые 1Ц3), показывающие поведение магнитных моментов вблизи области ДН Ч окна прозрачности спиновой системы по отношению к продольному СВЧ полю. Из рисунка видно, что участку ДН предшествует область с хаотическими колебаниями (кривые 1), которые при увеличении частоты переходят в регулярные колебания с малыми амплитудами и периодом, равным периоду высокочастотного поля (кривые 2). С приближением частоты к участку ДН амплитуда регулярных колебаний уменьшается вплоть до полного их исчезновения (кривые 3). Изменение Рис. 3. Хаотические режимы колебаний магнитных моменамплитуды СВЧ поля приводит к смещению частотной тов пленок на частотах СВЧ поля, расположенных между интервалами, соответствующими разным высокоамплитудным области ДН. В частности, при h = 0.8Oe область ДН режимам. 10-8, s-1: a Ч2.9, b Ч3.0.

ежит в частотном интервале n (6.8-7.5) 108 s-1.

Проведенный анализ показывает, что использование продольного СВЧ поля для вобуждения слоистых магнитосвязанных структур с антиферромагнитным типом случае имеют место две неколлинеарные равновесные ориентации [13], возможны два равновероятных режима перемагничивания: в направлениях 0 <2 < и - <2 < 0 при соответствующем перемагничивании первой пленки. Однако в случае установления ДимпульсногоУ режима реализуется только один из указанных переходов.

В частотном диапазоне (7-17) 108s-1 реализуется стационарный высокоамплитудный колебательный режим (b и c) с удвоенным периодом 2Th (зависимость h(t) в относительных единицах изображена на рис. 2, b штриховой линией) и амплитудой, почти вдвое большей амплитуды ДимпульсногоУ режима (a). При этом в данном интервале частот существуют области, в которых имеют место хаотические колебания магнитных моментов, а также область n (7.5-8) 108 s-1, где система оказывается невосприимчивой к воздействию переменного поля. В частотной области до участка динамичеРис. 4. Динамические режимы магнитных моментов слоев на ской невосприимчивости (ДН) на периоде стационарных частотах, близких к области ДН, и временная зависимость высокоамплитудных колебаний имеется несколько миниазимутальных углов в области ДН. 10-8, s-1: 1 Ч 7.15, мумов и максимумов (b), а в области после участка ДН 2 Ч7.4, 3 Ч7.5.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам