научная статья по теме МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ ФЕРРОМАГНЕТИК/ПАРАМАГНЕТИК Физика

Текст научной статьи на тему «МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ ФЕРРОМАГНЕТИК/ПАРАМАГНЕТИК»

Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 9, с. 693-696

© 2015 г. 10 мая

Магнитокалорический эффект в многослойных структурах ферромагнетик / парамагнетик

А. А. Фр&ерм&н1\ И. А. Шерешевский Институт физики микроструктур РАН, 603950 Н. Новгород, Россия

Нижегородский государственный университет им. Лобачевского, 603950 Н. Новгород, Россия

Поступила в редакцию 17 февраля 2015 г. После переработки 24 марта 2015 г.

В рамках феноменологической теории фазовых переходов Ландау исследован магнитокалорический эффект в многослойных структурах ферромагнетик/парамагнетик. Сделанные оценки указывают на возможность получения рекордных значений эффективности охлаждения в этих системах.

БО!: 10.7868/80370274X15090076

Магнитокалорический эффект (МКЭ) заключается в изменении температуры образца при приложении внешнего магнитного поля. Классическим примером МКЭ является охлаждение парамагнитных солей до сверхнизких (10~2 — 10~3К) температур при их адиабатическом размагничивании [1]. В последние годы интерес к МКЭ связан с возможностью создания "магнитных холодильников" на основе сплавов гадолиния, работающих при комнатной температуре [2,3]. Эффективность адиабатического магнитного охлаждения характеризуется отношением ¿Т/¿Н изменения температуры образца к изменению магнитного поля. Достигнутые к настоящему времени значения эффективности охлаждения при адиабатическом размагничивании в однородном внешнем поле не превышают 10 град./Тл [4]. Целью данной работы является исследование магнито-калорического эффекта в магнитных многослойных структурах, для которых намагничивание (или размагничивание) определяется эффектом "близости", связанным с обменным взаимодействием различных магнитных слоев. Мы покажем, что эффективность магнитного охлаждения в этих системах может достигать предельного значения в однородных системах, или даже превышать его [4]. Отметим, что изучение особенностей МКЭ в наноструктурах вызывает возрастающий интерес [5,6].

Рассмотрим многослойную структуру ¥где под Е понимается "сильный" ферромагнетик, температура Кюри которого выше температуры образца (Тр > Т), а под ( - прослойка "слабого" ферромагнетика, для которого температура Кюри Т{ < Тр. Тем-

пературная зависимость обменной связи между ферромагнитными слоями в такой системе исследовалась теоретически и экспериментально [7-9]. В качестве прослойки "слабого" ферромагнетика использовались пленки сплавов №жСи1_ж, температурой Кюри которых можно управлять, изменяя их концентрацию. Для упрощения расчетов будем предполагать, что Т{ < Т, т.е. прослойка парамагнитна. Здесь мы рассчитаем изменение энтропии многослойной системы ферромагнетик/парамагнетик при изменении взаимной ориентации магнитных моментов ферромагнетиков, граничащих с пленкой парамагнетика. В рамках феноменологической теории свободная энергия системы на единицу площади записывается в виде

Ы <с1

Ы >с1

10

I/2

2 20

<9т1

дг

<9т5

дг

1 2 2Т1т1

1

4М2

+ -1;(т2 - Ш1)

=-<г

—тоШп -\--;т

2 2 4М? 2

+ -1;(т2 - Ш1)

¿г -

¿г -

(1)

Че-таП: andr@ipmras.ru

где ось г направлена перпендикулярно границам пленок, область —с1 < г < с1 занята пленкой парамагнетика, а вне этой области располагается ферромагнетик. Магнитный момент и феноменологические константы в указанных областях обозначены индексами "1" и "2" соответственно, т1>2 = ±(Т - Т^р)/Т^р. Два последних слагаемых в (1) описывают обменное взаимодействие парамагнитной пленки с ферромагнитными берегами, которое характеризуется константой

694

А. А. Фраерман, И. А. Шерешевский

I], имеющей размерность длины. Мы не учитываем влияния внешнего поля на распределение магнитного момента, предполагая, что это влияние мало по сравнению с влиянием обменного взаимодействия, действующего на границах пленки парамагнетика. Условия применимости данного приближения будут представлены ниже. Уравнения, соответствующие экстремуму функционала (1), и граничные условия имеют следующий вид:

/2

'10,20

&2

И11 2

дг2

ТП 2ГП1 2 -

1

Ж*

4,2

-12

'10,20

/2

'10,20

дт

1,2

дг

дт

1,2

дг

Ь(т2 - Ш1)

Ь(Ш2 ~ Ш1)

(2)

где /20 20 ~ кТ{гр/аМ22, М 1,2 — магнитные моменты насыщения пара- и ферромагнетика, а - межатомное расстояние [10]. Ограничимся рассмотрением параллельной и антипараллельной ориентации магнитных моментов ферромагнитных берегов. В этих случаях магнитный момент имеет только одну компоненту, отличную от нуля, 1111,2 = (0,7x11,2(2:), 0). Величина взаимного влияния ферромагнитных берегов определяется отношением толщины парамагнитной пленки (2с1) и корреляционной длины (/1 = ¿ю/л/п")-Если это отношение много больше единицы, то взаимодействие ферромагнетиков экспоненциально мало [11]. Интересуясь эффектом взаимодействия, будем рассматривать предельный случай малой толщины пленки, 2(1 <С ¿1. Мы пренебрегаем другими механизмами межслойного обменного взаимодействия поскольку, как показано, например, в [12], эти механизмы играют роль в существенно более тонких слоях,чем рассматриваемые в нашей работе.

Для параллельной ориентации магнитных моментов в ферромагнитных берегах приближенное решение уравнений (2), удовлетворяющее граничным условиям, есть константа: т^ = т2 = 77120, т2о = = М2у/то,. Это решение справедливо при условии (1 <С <С (М\/т2о)1ю- Таким образом, параллельно намагниченные ферромагнетики индуцируют в парамагнитной прослойке магнитный момент, равный равновесному значению в ферромагнетике,что возможно при условии Ш2о < М\. При антипараллельной конфигурации распределение магнитного момента является нечетной функцией координаты г. Ограничиваясь низшими членами в разложении магнитного мо-

мента парамагнетика по параметру ¿/I ю, будем искать решение уравнений (2) в виде

гп1 = т10а—, '1

,, г - <1 - г0

7712 = 77120 ъп---, г > а,

к

(3)

где /2 = ¿20 у ^ ~~ корреляционная длина в ферромагнетике, тою = М\у/т[. Неизвестные константы а и го находятся из граничных условий:

£2 к

у = -

110т1012

VI+ 4А2 - 1 2А

1 -Ш

А

2 ^0

/2

'20

кЬ

/2 (]

'20

Пок'

(4)

Как следует из (4), в случае антипараллельной ориентации ферромагнетики "размагничиваются" вблизи границ с парамагнитной пленкой. Величина "размагничивания" определяется соотношением обменных длин в объеме (ко,к) и на границе (/7) ферромагнетика, т.к. слагаемое, пропорциональное толщине пленки парамагнетика, при выбранных условиях мало ((1 < /20///). Если обменное взаимодействие на границе велико (/7 12о/к), то магнитный момент ферромагнетика вблизи границы мал. В обратном предельном случае он близок к своему равновесному значению в объеме. При этом средний (по толщине) магнитный момент парамагнитной пленки остается малым по сравнению со случаем параллельной ориентации берегов, как для "сильного", так и для "слабого" обменного взаимодействия на границе.

Полученные приближенные решения позволяют оценить изменение свободной энергии и энтропии системы при изменении взаимной ориентации магнитных моментов ферромагнитных берегов. В случае параллельной ориентации для свободной энергии системы имеем

К, = + 2(1

Т1771^0

1

(5)

где ^о _ свободная энергия ферромагнитных берегов при равновесном значении магнитного момента. В случае антипараллельной ориентации, пренебрегая вкладом парамагнитной прослойки в свободную энергию и подставляя решение (4) в (1), находим

Ра = Ео + -т22012т2 ( 2 - ЗШ ^ + Ш3 ^ ) +

£2 к

„з £о к

+ Ьт20ЬЪ —.

' 2

(6)

Магнитокалорический эффект в многослойных структурах ферромагнетик/парамагнетик 695

Из (6) при малых и больших значениях обменного взаимодействия на границах получаем

г2(Г Ji

lj < llo/h,

Fa^F0 +

-ml0l2T2, lj^>l20/l2.

(7)

Характер взаимодействия между ферромагнетиками через парамагнитную прослойку определяется соотношением свободных энергий и Если взаимодействие на границе мало (// < с1), то Рр > и минимуму свободной энергии соответствует антипараллельная ориентация. В этом случае основной вклад в энергию системы вносит намагничивание парамагнитной прослойки, что энергетически невыгодно. При I] > с1 доминирующим является вклад, обусловленный "размагничиванием" ферромагнитных берегов, который приводит к основному состоянию с параллельной ориентацией магнитных моментов. Эффективное обменное взаимодействие ферромагнетиков через парамагнитную прослойку приводит к существованию поля сдвига Нех = —где Ь - суммарная толщина магнитных пленок. Пользуясь фор-

мулами (5), (7), получим Не

т2012т2 М2Ь

Ij > d. Если

направление магнитного момента одной из ферромагнитных пленок фиксировано, то изменение взаимной ориентации магнитных моментов ферромагнетиков происходит при приложении поля порядка поля сдвига Нех [7-9]. При внешнем поле, большем — {Нех — Нс/2), реализуется параллельная, а при меньшем —{Нех + Нс/2) - антипараллельная ориентация магнитных моментов ферромагнетиков (здесь Нс - поле коэрцитивности "свободной" пленки) . Сделанное выше предположение о малости влияния внешнего магнитного поля на распределение магнитного момента в ферромагнетике и парамагнитной пленке означает, что должны выполняться

Я /2

следующие условия: Нех < М2т2 , Нех < rrii(d)Ti. Подставляя сюда выражения для поля сдвига и rrii(d), находим l20 < L, < d,L/l\0. Дифференцируя выражения (5) и (7) по температуре, получим значения энтропии S = —dF/dT при различной ориентации магнитных моментов в ферромагнитных берегах:

Sv — So +

dMl

IL-H+ (Ml

TF Tf + I Ml

T2

Tf

Sa ~ So +

1

L2lj,

12

/ ^ 20 h < j i

h

1-M\lf, lj > llo/h--t F h

(8)

(9)

Таким образом, свободная энергия и энтропия системы существенно зависят от взаимной ориентации ферромагнитных пленок, которая может изменяться под действием внешнего магнитного поля, подобно тому как это происходит в магниторезистив-ных спин-вентильных элементах [13]. Предполагая адиабатичность процесса изменения взаимной ориентации магнитных моментов, оценим эффективность "магнитного охлаждения":

dT

ш

Я=-Яе

Т dS "СдН

н=-нс

Т S(-Hex + Нс/2) - S(-Hex - Нс/2) ' С

Нс

Т Sp — Sa

(10)

с Нс '

где С - теплоемкость, которая при достаточно высокой температуре определяется колебаниями кристаллической решетки, С = ЗкМу, N - концентрация атомов, V - объем

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком