научная статья по теме НАБЛЮДЕНИЕ СОРАЗМЕРНЫХ МАГНИТНЫХ СТРУКТУР В МНОГОСЛОЙНОЙ СИСТЕМЕ DY/Y В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Физика

Текст научной статьи на тему «НАБЛЮДЕНИЕ СОРАЗМЕРНЫХ МАГНИТНЫХ СТРУКТУР В МНОГОСЛОЙНОЙ СИСТЕМЕ DY/Y В МАГНИТНОМ ПОЛЕ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 10, с. 5-11

УДК 537.622.638.2

НАБЛЮДЕНИЕ СОРАЗМЕРНЫХ МАГНИТНЫХ СТРУКТУР В МНОГОСЛОЙНОЙ СИСТЕМЕ Dy/Y В МАГНИТНОМ ПОЛЕ © 2015 г. С. В. Григорьев1, 2, В. В. Тарнавич1, *, Ю. О. Четвериков1, D. Lott3, A. Schreyer 3

1НИЦ "Курчатовский институт", Санкт-Петербургский институт ядерной физики,

188300 Гатчина, Россия 2Санкт-Петербургский государственный университет, 199034 Санкт-Петербург, Россия 3Helmholtz-Zentrum Geesthacht, 21502 Geesthacht, Germany *E-mail: tarnavich@lns.pnpi.spb.ru Поступила в редакцию 21.01.2015 г.

При отсутствии поля магнитная система многослойной сверхструктуры Dy/Y представляет собой спиральную спиновую структуру с длиной когерентности, многократно превышающей толщину бислоя Y/Dy. В случае, когда период магнитной спирали не совпадает с толщиной слоя Dy, каждый слой характеризуется средним нескомпенсированным магнитным моментом. С приложением внешнего магнитного поля магнитные слои стремятся упорядочиться ферромагнитно. Наряду с со-осным магнитному полю ферромагнитным упорядочением слоев формируются, во-первых, четырехкратная соразмерная спиновая структура (подобная спирали), во-вторых, двукратная соразмерная спиновая структура (подобная антиферромагнитному спин-флоп упорядочению). Четырехкратная структура наблюдается при температурах, близких к критической температуре Нееля, когда dS > dDy (TN = 160 K), и в относительно малых магнитных полях. Двукратная структура антиферромагнетика характерна для относительно больших полей. Явление объясняется в терминах конкуренции взаимодействия Рудермана—Киттеля—Касуя—Иосиды и зеемановского взаимодействия.

Ключевые слова: соразмерные магнитные структуры, многослойные сверхструктуры, спиральная спиновая структура, эффект гигантского магнитосопротивления, антиферромагнетики.

DOI: 10.7868/S020735281510008X

ВВЕДЕНИЕ

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС) в многослойных структурах с чередующимися магнитными и немагнитными слоями является одним из тех замечательных примеров, когда начало практического применения нового открытия опережает полное понимание лежащего в его основе фундаментального явления. Эффект ГМС заключается в значительном уменьшении электрического сопротивления многослойной системы, представляющей собой в отсутствие поля ферромагнитные слои, антиферромагнитно упорядоченные между собой. Несвойственное, казалось бы, антиферромагнитное взаимодействие двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой, осуществляется за счет обычного взаимодействия Рудермана—Киттеля—

Касуя—Иосиды (РККИ) ~ )/(<1кР)2, опре-

деляемого топологией ферми-поверхности материала немагнитного слоя, где d — толщина слоя и кР — волновой вектор Ферми [1]. Варьирование толщины слоев или значения кР приводит к ослаблению антиферромагнитного взаимодействия и изменению его знака, что было подтвер-

ждено экспериментально [2]. С приложением внешнего магнитного поля в структуре вначале реализуется переход типа спин-флоп, затем — в ферромагнитную фазу при увеличении поля.

Для эффекта ГМС хорошо известен механизм межслоевого билинейного обмена, осуществляемого за счет взаимодействия РККИ, при этом вопрос наличия биквадратичного обмена в подобной системе остается открытым [3—11]. В случае биквадратичного обмена устойчивым спиновым состоянием является такая конфигурация, когда векторы намагниченности соседних ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой, расположены перпендикулярно друг другу. В случае обычного антиферромагнитного-ферромагнитного (билинейного) обмена устойчивым является 180-градусное расположение. Впервые 90-градусная конфигурация была экспериментально обнаружена в трехслойной системе Ре/Сг/Ре [3], что, однако, интерпретировалось как существование пространственных флуктуа-ций микроскопического билинейного взаимодействия [4]. Тем самым нивелировался биквадра-тичный обмен из-за отсутствия фундаментальных знаний о его природе. Та же теория лежала в основе

дальнейших экспериментальных работ [5—7]. В то же время в ряде публикаций [8, 9, 11] авторы настаивали на микроскопической природе биквадра-тичного обмена в многослойных системах. Следует особо отметить работу [11], где демонстрируется, что биквадратичный обмен в многослойной системе Fe/Cr сравним с взаимодействием РККИ, он связан с эффектом ГМС, который может быть сглажен высоким давлением.

Часто вывод об увеличении влияния биквадра-тичной компоненты основывается на результатах анализа намагниченности материала из-за невозможности восстановить магнитную структуру, используя магнитооптические методы. Особенности поведения кривой намагничивания феноменологически могут быть связаны с появлением значительного внутрислойного биквадратичного обмена. Так, в [9] на примере многослойной структуры Fe/Si было показано, что степень антиферромагнитного упорядочения соседних ферромагнитных слоев и прочность связи зависят от их положения в магнитной структуре, что по результатам измерения намагниченности, интегральных по своей природе, ошибочно интерпретируется как биквадратичный обмен. В этом случае метод нейтронного рассеяния может играть первостепенную роль для обнаружения 90-градусного расположения магнитных моментов. Нейтронное рассеяние на ядерной структуре дает ре-перный дифракционный пик с kstruc = 2n/d, где d — период сверхструктуры. Рассеяние на ферромагнитной структуре интерферирует с рассеянием на ядерной структуре, что приводит к увеличению высоты пика, а также его повторению с периодом, кратным kstruc. Антиферромагнитное упорядочение создает дополнительные сател-литные рефлексы вокруг реперных пиков при ±1/2kstruc; 90-градусное упорядочение, в свою очередь, приводит к появлению сателлитов при

± 1/4kstruc.

На сегодняшний день огромный фундаментальный интерес представляет изучение многослойных магнитных систем на основе редкоземельных металлов (Re). Массивные редкоземельные металлы обладают сложными магнитными структурами и фазовыми диаграммами. За последние десятилетия интерес к ним усилился благодаря возможности создания на их основе эпи-таксиальных сверхструктур. Так, например, в некоторых структурах (Re/Y) [12—14] методами нейтронной дифракции обнаружена длиннопе-риодическая модуляция магнитных свойств. Спиновая спираль, возникающая за счет обмена РККИ между локализованными 4/-спинами и электронами проводимости, проникает через парамагнитный Y за счет электронов проводимости иттриевого слоя [12]. Приложение внешнего магнитного поля вместе с взаимодействием РККИ

должно приводить к дальнейшему изменению спиновой структуры. Причиной этого может являться конкуренция взаимодействия РККИ с зее-мановским взаимодействием между полем и не-скомпенсированными моментами слоев. Для массивного Но и сверхструктуры Но/У с приложением внешнего магнитного поля в базисной плоскости отмечается появление дополнительных фаз типа "спиновый веер" и "спиновый веер со структурой геликоида" [13, 15]. Представляло интерес узнать, как с приложением поля поведет себя магнитная структура в системе Эу/У.

В настоящей работе будет показано, что внешнее магнитное поле, приложенное в плоскости многослойной сверхструктуры Эу/У, по мере его увеличения трансформирует несоразмерную спиновую геликоидальную структуру сначала в четырехкратную соразмерную сверхрешетке структуру, затем в двукратную соразмерную структуру наряду с появлением в системе однократного ферромагнитного упорядочения, соосного полю. Проводится параллель между четырехкратной, двукратной и соосной структурами и геликоидальной антиферромагнитной и ферромагнитной структурами, что также должно быть характерно для многослойных магнитных структур с колли-неарным расположением спинов.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Методом нейтронного рассеяния в широком интервале температур был исследован эффект влияния магнитного поля на спиновую структуру в многослойной системе [Эу30а/Узоа]х15о (ЭуЗОУЗО). Образец с эпитаксиальной формулой У500 а/[ЭУзо а/У30 а] х15о/У2340 а/^2ооо А/А12О3 (подложка) был выращен вдоль оси с ГПУ-структуры гольмия и иттрия с использованием техники молекулярно-пучковой эпитаксии в Рурском университете в Бохуме (Германия). Слой ниобия служит химическим изолятором между подложкой и эпитаксиальной структурой. Как было показано в [16], в такой структуре геликоидальная фаза существует в диапазоне от Т^ до 0 К и спиновая спираль когерентно проникает через несколько пар слоев. За счет кристаллической анизотропии направление вектора магнитной спирали к жестко зафиксировано вдоль направления с. Критическая температура Тм для данного образца (160 К) на 18 К ниже, чем для "объемного" диспрозия, что, по-видимому, связано с наличием эпитаксиальных напряжений. Эксперименты по рассеянию нейтронов были проведены на рефлектометре NeRo HZG, Германия) с длиной волны нейтронов X = 4.35 А и АХ/Х = 0.02. Ось с образца и падающий пучок лежали в горизонтальной плоскости, в которой происходило рассеяние. Во время измерений параллельно

[А-1]

Рис. 1. Профили экспериментальных кривых зеркального отражения при Т = 130 К во внешнем магнитном поле Н: 0.45 (а); 0.57 (б); 0.69 (в); 0.81 (г); 0.87 Тл (д). Рисунок разделен на две части: слева представлено отражение от ядерной структуры, справа — от магнитной структуры.

плоскости образца прикладывалось внешнее магнитное поле до 0.9 Тл.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Измерения проводились в рефлектометриче-ской моде, т.е. измерялась интенсивность зеркально отраженного пучка нейтронов в зависимости от угла 9 (геометрия 9-29). Зависимость интенсивности рассеяния от переданного импульса была измерена при температурах 130 и 155 К в диапазоне магнитных полей от 0 до 0.9 Тл. На рис. 1 представлена полевая эволюция профиля зеркаль-

ного отражения, полученного при Т = 130 К. Наиболее интенсивный пик, обозначенный как ££ (Озх = 0.105 А-1), является отражением от ядерной периодической сверхструктуры (его положение не зависит ни от температуры образца, ни от величины внешнего магнитного поля). Пик, обозначенный как М (Ом = 1.68qSх), становится заметен ниже ТN = 160 К и является о

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