Работа поддержана грантом CRDF-Минобразования РФ VZ-010-0.
1. Введение быстро развивающаяся магнетоэлектроника активно использует слои нанометровой толщины.
Вопрос о поверхностном опрокидывании подрешеток Полученные для некомпенсированной поверхности антиферромагнетика в магнитном поле (о поверхност- антиферромагнетика результаты представляют собой асимптотику, к которой с ростом числа слоев должны ном спин-флоп переходе) был рассмотрен Миллсом в стремиться результаты численных расчетов, проведенработе [1] на основе проведенных ранее расчетов закона ных для многослойных магнитных структур.
дисперсии поверхностных магнонов [2]. Как в работе [1], так и в более поздней работе [3] рассматривалась некомпенсированная поверхность антиферромагнетика 2. Описание модели в диапазоне магнитных полей, ограниченном полем и результаты расчета объемного спин-флоп перехода.
Новый всплеск интереса к поверхностным спин-флоп Рассмотрим идеально гладкую поверхность антиферпереходам возник в результате появления антиферромагромагнетика при температурах T TN (TN Ч темпенитно связанных многослойных магнитных структур, обратура Нееля), когда модули намагниченностей подреладающих эффектом гигантского магнетосопротивления.
шеток можно считать неизменными. Ограничимся расЕсли предполагать, что ферромагнитные слои, входящие смотрением локализованных спинов в приближении гейв состав многослойной структуры, намагничены однозенберговского обменного взаимодействия между блиродно, то поведение такой многослойной структуры во жайшими соседями. Число последних для спинов, левнешнем магнитном поле аналогично поведению плосжащих в поверхностном слое, меньше, чем в объкопараллельного слоя антиферромагнетика с некомпенеме, что делает их более податливыми к воздействию сированными границами. Теоретическое исследование внешнего магнитного поля. Именно поэтому поле поподобных структур проводилось численными методами верхностного спин-флоп перехода оказывается ниже в ряде работ (см., например, [4,5]).
своего объемного значения [1Ц3]. Будем предполагать, Цель настоящей работы Ч теоретическое исследочто ось легкого намагничения лежит в плоскости пование искажений магнитной структуры, возникающих верхности.
вблизи поверхности зеркального антиферромагнетика 2. 1. К о м п е н с и р о в а н н а я п о в е р х н о с т ь. В слув магнитном поле, во всем диапазоне полей вплоть чае компенсированной поверхности в каждом атомном до поля схлопывания его подрешеток (поля спин-флип слое, параллельном поверхности, в равном количестве перехода). Будут рассмотрены как компенсированная, присутствуют спины, принадлежащие обеим магнитным так и некомпенсированная поверхности.
подрешеткам антиферромагнетика, в дальнейшем обоИнформация о поверхностных искажениях необходи- значаемым A и B. Пронумеруем атомные плоскости, ма для правильной интерпретации магнитооптических параллельные поверхности, индексом j, начиная с поэкспериментов и данных магнитосиловой и поляризаци- верхности. Положение спина в плоскости слоя будем онной спин-туннельной микроскопии. задавать углом A(B), j, который соответствующий спину Результаты рассмотрения позволят определить диа- магнитный момент образует с выделенным направленипазон толщин антиферромагнитных слоев, в котором ем, параллельным легкой оси (рис. 1, a).
влияние поверхностей является существенным (магнит- Энергия гейзенберговского обменного взаимодейный размерный эффект). Это особенно важно, поскольку ствия Wex, энергия одноионной анизотропии Wan и зе8 1652 А.А. Берзин, А.И. Морозов, А.С. Сигов емановская энергия WB задаются следующими выраже- Таблица 1. Параметры, характеризующие различные компенсированные срезы кубических кристаллов ниями:
Вид решетки Срез a b - c N|Jaf|S2 a af Wex = b cos(A, j - B, j) + (1 - 1, j) 2 ПК (100) 1 4 5 - = 0.101021 0.j=ПК (110) 2 2 2 - = 0.267949 0.a cos(A, j - B, j-1) + cos(A, j - B, j+1) О - (кубическая, (110) 2 4 3 - 8 = 0.171573 0.тетрагональная a a и ромбическая) + (1 - 1, j) cos(B, j - A, j-1) + cos(B, j - A, j+1), 2 (1) KNSконечную систему уравнений af Wan = - (cos 2A, j + cos 2B, j), (2) j=b sin(A, j - B, j) +a(1 - 1, j) sin(A, j - B, j-1) + a sin(A, j - B, j+1)= sin 2A, j + sin(A, j - ), WB = -BSafB0N cos(A, j - ) +cos(B, j - ), (3) b sin(B, j - A, j) +a(1 - 1, j) sin(B, j - A, j-1) j=+ a sin(B, j - A, j+1)= sin 2B, j + sin(B, j - ), (4) где N Ч число спинов в атомной плоскости; Jaf < 0 Ч интеграл обмена между ближайшими спинами; Saf Ч в которой два безразмерных параметра и равны среднее значение спина атома; b и a Ч числа ближайсоответственно ших к данному спину соседей, лежащих соответственно в той же и в соседней атомной плоскости (их значения = 2K |Jaf| 1, (5) для различных компенсированных срезов приведены в = 2BB0 |Jaf|Saf. (6) табл. 1); 1, j Ч символ Кронекера; K Ч константа анизотропии; B Ч магнетон Бора; B0 Ч индукция a) = /2. Рассмотрим решение системы (4) в частвнешнего магнитного поля, направленного параллельно ном случае, когда внешнее магнитное поле приложеповерхности под углом к легкой оси (рис. 1, a).
но перпендикулярно легкой оси. В данной геометрии Минимизируя суммарную энергию W = Wex + Wan спин-флоп переход отсутствует, и во всей области зна+ WB относительно переменных A(B), j, получаем бес- чений магнитного поля можно пренебречь вкладом анизотропии, т. е. считать = 0 (поэтому данный результат применим и к срезу (100) простой кубической решетки с анизотропией более высокого порядка).
Из симметрии задачи следует, что A, j = j, B, j = - j. После этой подстановки система (4) принимает вид b sin 2j + a(1 - 1, j) sin(j + j-1) + a sin(j + j+1) = cos j. (7) Аналитическое выражение для значений j можно получить в области слабых магнитных полей ( 1), когда система уравнений (7) линеаризуется в виде 2bj + a j + j+1 +(1 - 1, j)(j + j-1) =. (8) В результате замены переменных j = 0 + j, где 0 = /2z Ч значение угла скоса подрешеток вдали от поверхности, а z = b + 2a Ч число ближайших соседей для спина в объеме антиферромагнетика [6], получим систему 2bj +a j +j+1+(1-1, j)(j + j-1) = 2a01, j. (9) Рис. 1. Ориентация намагниченностей подрешеток антиферромагнетика относительно оси легкого намагничения (ось x) Ее решение ищется в виде и направления внешнего слабого (a) и сильного (b) магнитноj = j-1. (10) го поля.
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Искажения магнитной структуры, индуцированные магнитным полем... Простой расчет дает значения и 1 Таблица 2. Зависимость угла скоса подрешеток j от номера атомного слоя в различных магнитных полях для компенсироb + a - b(b + 2a) ванной поверхности (100) ПК решетки спинов = -, (11) a j = 2 = 5 = 6 2 = 10 = a 1 = c. (12) 1 0.037922 0.101619 0.206674 0.261939 0.z 2b + a(1 + ) 2 -0.003675 -0.007319 0.003687 0.033029 0.Значения и c для различных срезов приведены в 3 0.000359 0.000561 0 0.003050 0.табл. 1.
4 -0.000035 -0.000042 0 0.000271 0.Таким образом, в слабом магнитном поле вблизи 5 0.000003 0.000004 0 0.000024 0.поверхности появляется убывающая в глубь антифер- 6 0 0 0 0.000002 0.ромагнетика знакопеременная добавка j к объемному 7 0 0 0 0 0.8 0 0 0 0 0.значению угла скоса подрешеток.
При 1, но <2z, объемное значение угла скоса находится из условия [6] предсказать по асимптотическому поведению углов j.
sin 0 = /2z. (13) Действительно, в глубине кристалла j --- 0, и для j Значение = 2z отвечает полю схлопывания подребольших j можно пользоваться линеаризованной вблизи шеток (полю спин-флип перехода, когда все спины значения j = 0 системой уравнений (7) ориентируются параллельно направлению магнитного sin поля). Величины j при найдены путем чис2b + 2a + j + a(j-1 + j+1) =0. (14) ленного решения системы (7) и приведены в табл. 2.
cos Зависимость 1() изображена на рис. 2.
Соответствующее значение равно Качественно характер спада поверхностных искажений антиферромагнитного параметра порядка можно z z = - -1 + + a 2a(2z - 2) z z 2 -1 + + - 1. (15) a 2a(2z - 2) Знак ДплюсУ перед корнем соответствует значениям / 2, а знак ДминусУ Ч значениям / 2 <. При = / 2 происходит смена знака параметра (рис. 3), и характер убывания величины j изменяется от знакопеременного в области полей 2 на монотонный при >/ 2.
При - 0 значения j могут быть найдены аналитически, поскольку в данном пределе все j непрерывным образом стремятся к нулю.
Рис. 2. Зависимость угла скоса магнитных подрешеток поВедем безразмерный параметр = 1 - /. Тогда из верхностного слоя атомов от магнитного поля в случае формулы (13) следует, что компенсированной поверхности (100) ПК решетки и = /2.
0 = - 2. (16) Используя выражение (15), находим 1/4z = 1 -. (17) a Из линеаризованного уравнения для 1 получаем z 1 = 2 1 -, (18) a тогда 2z 1 = -, (19) 2 a Рис. 3. Зависимость параметра, определяющего длину т. е. если при в объеме антиферромагнетика спада поверхностных искажений, от магнитного поля для компенсированной поверхности (100) ПК решетки. значения углов скоса подрешеток отличаются от /2 на Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1654 А.А. Берзин, А.И. Морозов, А.С. Сигов В случае компенсированной поверхности поверхностный спин-флоп переход не имеет места. Это связано с атомным масштабом величины rc в полях 1, где 1 = 4z есть поле объемного спин-флоп перехода [6].
При развороте подрешеток на столь малом расстоянии проигрыш в обменной энергии в расчете на каждый поверхностный спин составил бы величину порядка z, в то время как выигрыш в зеемановской энергии 2/z никак не компенсировал бы указанные энергетические затраты.
После объемного спин-флоп перехода, т. е. в диапазоне магнитных полей 1 <, ситуация полностью аналогична рассмотренному случаю = /2, если учесть, Рис. 4. Зависимость поверхностного магнитного момента что теперь углы отсчитываются от направления, перпенот магнитного поля в случае компенсированной поверхнодикулярного направлению магнитного поля (рис. 1, b).
сти (100) ПК решетки и = /2.
c) Произвольные значения. В случае произвольного значения = 0, /2 разворот подрешеток антиферро магнетика в объеме происходит непрерывным образом величину порядка, то на поверхности это отличие в полях порядка 1 [6]. При 1 спины подрешеток порядка.
ориентированы практически симметрично относительно Характерная длина спада скажений rc равна направления магнитного поля (рис. 1, b). Как и для 1/ = 0, для произвольного направления магнитного поd a rc = -d/ ln ||, (20) ля применимо рассмотрение, проведенное для случая 2 z = /2. Обусловленная анизотропией асимметричная где d Ч межплоскостное расстояние. Как и следует из поправка к объемному углу скоса подрешеток 0 в облатеории среднего поля для фазовых переходов второго сти полей 1 составляет, согласно работе [6], рода, значение радиуса корреляции rc расходится корне- 1 sin 2/22 (знак выбирается так, чтобы уменьшить вым образом по мере приближения к точке спин-флип острый угол между намагниченностью подрешетки и перехода.
егкой осью).
Поверхностные искажения приводят к возникновеПри произвольном угле возможно аналитическое нию дополнительного магнитного момента ms, паралрассмотрение в области слабых магнитных полей (крилельного поверхности. Будем измерять его в единитерий будет уточнен далее).
цах 2BNSaf, где N Ч число элементарных ячеек, Линеаризация системы уравнений (4) в предположесоответствующих парамагнитной фазе, в поверхностном нии малости углов A, j = A, j и B, j = - B, j дает слое. В рассматриваемом случае параллельная легкой оси компонента магнитного момента me равна нулю, а s (|b + a + a(1 - 1, j) +2 + cos )A, j перпендикулярная оси составляющая магнитного момента определяется как + bB, j + aB, j+1 +(1 - 1, j)aB, j-1 = sin, (b + a + a(1 - 1, j) +2 + cos )B, j mh = sin j - sin 0. (21) s j=+ bA, j + aA, j+1 +(1 - 1, j)aA, j-1 = sin. (24) При c Значения углов скоса подрешеток lim A, j A и j mh = j =, (22) s 1 - j=lim B, j B вдали от поверхности легко находятся j в предположении независимости этих углов от номера а при - слоя sin (2 - cos ) a A =, (25) mh = 2 j =. (23) s 4z + 42 - 2 cosz j= sin (2 + cos ) Отметим, что при = /2 поверхностный магнитный B =. (26) 4z + 42 - 2 cosмомент параллелен объемному, поэтому его выделение является непростой экспериментальной задачей. Зависи- Условие малости этих углов приводит к следующим мость mh() приведена на рис. 4.
неравенствам для величины магнитного поля:
s b) = 0. Рассмотрим случай, когда внешнее магнитное поле приложено параллельно легкой оси., 2 sin 2 1; cos 1. (27) Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Искажения магнитной структуры, индуцированные магнитным полем... Рассмотрим поверхностные искажения спина. Пусть A(B), j = A(B) + A(B), j, тогда аналогично случаю = /2 A(B), j = A(B), j-1, где значение с учетом малости параметра 1 и неравенств (27) дается формулой (11), а величины sin B,1 = A,1 = = c sin. (28) z 2b + a(1 + ) Из сравнения с формулой (12) видно, что в слабых полях искажения вызываются перпендикулярной к легкой оси составляющей поля, а продольная составляющая при 1 несущественна.
Рис. 5. Зависимость угла разворота магнитного момента 2.2 Некомпенсированная поверхность.
поверхностного слоя атомов от магнитного поля в случае В этом случае все спины, лежащие в j-й атомной некомпенсированной поверхности (100) О - решетки, = 0.плоскости, коллинеарны и принадлежат одной и = /2.
подрешетке (b = 0). Четные и нечетные j отвечают разным подрешеткам, поэтому пронумеруем слои одним индексом j.
получаем Энергия обменного взаимодействия принимает в случае некомпенсированной поверхности вид a(2 - 1,n) +2 + cos 2n-1 + a(1 - 1,n)2n-N|Jaf|S2 a 0 af + a2n =(A + B)1,n, Wex = [2a + 2 - cos ]2n + a2n-1 + a2n+1 = 0. (34) cos(j - j-1)(1 - 1, j) +cos(j - j+1). (29) Полагая 2n = 22n-2, 2n+1 = 22n-1, находим j=Для среза (100) О - тетрагональной (с осьюc, лежащей 1 - 2 cos2 = 1 -. (35) в плоскости среза) или ромбической решетки a = 4.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам