Ⱥ.Ȼ. Ⱦɪɨɜɨɫɟɤɨɜ1, Ⱥ.Ɉ. ɋɚɜɢɰɤɢɣ1, ɇ.Ɇ. Ʉɪɟɣɧɟɫ1, Ⱦ.ɂ. ɏɨɥɢɧ1,*, ȼ.ȼ. ɉɪɨɝɥɹɞɨ2, Ɇ.ȼ. Ɇɚɤɚɪɨɜɚ2, ȿ.Ⱥ. Ʉɪɚɜɰɨɜ2
1 ɂɧɫɬɢɬɭɬ ɮɢɡɢɱɟɫɤɢɯ ɩɪɨɛɥɟɦ ɢɦ. ɉ.Ʌ. Ʉɚɩɢɰɵ ɊȺɇ, Ɇɨɫɤɜɚ, Ɋɨɫɫɢɹ 2 ɂɧɫɬɢɬɭɬ ɮɢɡɢɤɢ ɦɟɬɚɥɥɨɜ ɢɦ. Ɇ.ɇ. Ɇɢɯɟɟɜɚ ɍɪɈ ɊȺɇ, ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ, Ɋɨɫɫɢɹ
*kholin@kapitza.ras.ru
ɋ ɩɨɦɨɳɶɸ ɦɚɝɧɢɬɨɨɩɬɢɱɟɫɤɨɝɨ ɷɮɮɟɤɬɚ Ʉɟɪɪɚ ɢɫɫɥɟɞɨɜɚɧɵ ɤɨɥɥɢɧɟɚɪɧɵɟ, ɨɛɴɺɦɧɵɟ ɢ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɧɵɟ ɫɤɪɭɱɟɧɧɵɟ ɦɚɝɧɢɬ- ɧɵɟ ɫɨɫɬɨɹɧɢɹ ɫɜɟɪɯɪɟɲɟɬɤɢ [Fe(35 Å)/Gd(50 Å)]12, ɜɵɪɚɳɟɧɧɨɣ ɦɟɬɨɞɨɦ ɦɚɝɧɟɬɪɨɧɧɨɝɨ ɧɚɩɵɥɟɧɢɹ ɧɚ ɫɬɟɤɥɹɧɧɨɣ ɩɨɞɥɨɠɤɟ.
ɉɨɫɬɪɨɟɧɚ ɮɚɡɨɜɚɹ ɞɢɚɝɪɚɦɦɚ ɬɚɤɢɯ ɫɨɫɬɨɹɧɢɣ. ɉɨɥɭɱɟɧɧɵɟ ɪɟɡɭɥɶɬɚɬɵ ɜ ɰɟɥɨɦ ɩɨɞɬɜɟɪɞɢɥɢ ɜɵɜɨɞɵ, ɫɞɟɥɚɧɧɵɟ ɪɚɧɟɟ ɧɚ ɨɫɧɨɜɟ ɚɧɚɥɢɡɚ ɞɚɧɧɵɯ ɎɆɊ ɢ ɫɬɚɬɢɱɟɫɤɨɣ ɧɚɦɚɝɧɢɱɟɧɧɨɫɬɢ.
ȼɜɟɞɟɧɢɟ
ɋɥɨɢɫɬɵɟ ɫɬɪɭɤɬɭɪɵ Fe/Gd ɹɜɥɹɸɬɫɹ ɢɫɤɭɫɫɬɜɟɧ- ɧɵɦɢ ɮɟɪɪɢɦɚɝɧɟɬɢɤɚɦɢ, ɞɟɦɨɧɫɬɪɢɪɭɸɳɢɦɢ ɛɨ- ɝɚɬɭɸ ɮɚɡɨɜɭɸ ɞɢɚɝɪɚɦɦɭ ɫɨ ɫɥɨɠɧɵɦɢ ɬɢɩɚɦɢ ɦɚɝɧɢɬɧɨɝɨ ɭɩɨɪɹɞɨɱɟɧɢɹ [1]. ȼ ɩɨɫɥɟɞɧɢɟ ɝɨɞɵ ɢɧɬɟɪɟɫ ɤ ɧɢɦ ɧɟɨɠɢɞɚɧɧɨ ɜɨɡɪɨɫ ɜ ɫɜɹɡɢ ɫ ɩɟɪ- ɫɩɟɤɬɢɜɨɣ ɢɯ ɩɪɢɦɟɧɟɧɢɹ ɞɥɹ ɪɟɚɥɢɡɚɰɢɢ ɫɜɟɪɯ- ɛɵɫɬɪɨɝɨ ɥɚɡɟɪɧɨɝɨ ɩɟɪɟɦɚɝɧɢɱɢɜɚɧɢɹ [2].
Ɋɚɧɟɟ ɩɭɬɺɦ ɩɨɞɪɨɛɧɨɝɨ ɚɧɚɥɢɡɚ ɞɚɧɧɵɯ ɎɆɊ ɢ SQUID-ɦɚɝɧɢɬɨɦɟɬɪɢɢ ɛɵɥɨ ɩɨɤɚɡɚɧɨ [3], ɱɬɨ ɩɨ- ɦɢɦɨ ɤɨɥɥɢɧɟɚɪɧɵɯ ɢ ɨɛɴɺɦɧɵɯ ɫɤɪɭɱɟɧɧɵɯ ɫɨ- ɫɬɨɹɧɢɣ ɜ ɬɚɤɢɯ ɫɜɟɪɯɪɟɲɟɬɤɚɯ ɦɨɝɭɬ ɪɟɚɥɢɡɨɜɵ- ɜɚɬɶɫɹ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɧɵɟ ɫɤɪɭɱɟɧɧɵɟ ɫɨɫɬɨɹɧɢɹ, ɤɨɝɞɚ ɝɟɥɢɤɨɢɞɚɥɶɧɵɣ ɪɚɡɜɨɪɨɬ ɧɚɦɚɝɧɢɱɟɧɧɨɫɬɢ ɪɟɚɥɢ- ɡɭɟɬɫɹ ɥɢɲɶ ɜɛɥɢɡɢ ɨɞɧɨɣ ɢɡ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɟɣ ɨɛɪɚɡɰɚ.
Ɉɞɧɚɤɨ ɢɫɩɨɥɶɡɭɟɦɵɟ ɦɟɬɨɞɵ ɢɫɫɥɟɞɨɜɚɧɢɣ ɩɨɡɜɨ- ɥɹɥɢ ɥɢɲɶ ɤɨɫɜɟɧɧɨ ɫɭɞɢɬɶ ɨ ɫɨɫɬɨɹɧɢɢ ɩɨɜɟɪɯ- ɧɨɫɬɧɵɯ ɫɥɨɺɜ ɫɜɟɪɯɪɟɲɟɬɤɢ.
ȼ ɞɚɧɧɨɣ ɪɚɛɨɬɟ ɞɥɹ ɩɪɹɦɨɝɨ ɧɚɛɥɸɞɟɧɢɹ ɩɨɜɟɪɯ- ɧɨɫɬɧɵɯ ɫɤɪɭɱɟɧɧɵɯ ɫɨɫɬɨɹɧɢɣ ɜ ɩɥɺɧɤɟ [Fe(35 Å)/Gd(50 Å)]12 ɢɫɩɨɥɶɡɨɜɚɥɫɹ ɦɚɝɧɢɬɨɨɩɬɢ- ɱɟɫɤɢɣ ɷɮɮɟɤɬ Ʉɟɪɪɚ (ɆɈɗɄ). ɉɨɫɤɨɥɶɤɭ ɫɨɜɨɤɭɩ- ɧɚɹ ɬɨɥɳɢɧɚ ɫɜɟɪɯɪɟɲɺɬɤɢ ɫɭɳɟɫɬɜɟɧɧɨ ɩɪɟɜɨɫɯɨ- ɞɢɥɚ ɝɥɭɛɢɧɭ ɩɪɨɧɢɤɧɨɜɟɧɢɹ ɫɜɟɬɚ, ɬɚɤɚɹ ɦɟɬɨɞɢɤɚ ɩɨɡɜɨɥɢɥɚ ɧɚɝɥɹɞɧɨ ɩɪɨɞɟɦɨɧɫɬɪɢɪɨɜɚɬɶ ɪɚɡɧɢɰɭ ɦɟɠɞɭ ɤɨɥɥɢɧɟɚɪɧɵɦɢ, ɨɛɴɺɦɧɵɦɢ ɢ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬ- ɧɵɦɢ ɫɤɪɭɱɟɧɧɵɦɢ ɫɨɫɬɨɹɧɢɹɦɢ, ɚ ɬɚɤɠɟ ɩɨɫɬɪɨ- ɢɬɶ ɮɚɡɨɜɭɸ ɞɢɚɝɪɚɦɦɭ ɬɚɤɢɯ ɫɨɫɬɨɹɧɢɣ.
Ɉɛɪɚɡɟɰ ɢ ɦɟɬɨɞɢɤɚ ɷɤɫɩɟɪɢɦɟɧɬɚ ɋɜɟɪɯɪɟɲɟɬɤɚ [Fe(35 Å)/Gd(50 Å)]12 ɛɵɥɚ ɩɪɢɝɨ- ɬɨɜɥɟɧɚ ɦɟɬɨɞɨɦ ɦɚɝɧɟɬɪɨɧɧɨɝɨ ɧɚɩɵɥɟɧɢɹ ɜ ɜɵɫɨ- ɤɨɦ ɜɚɤɭɭɦɟ ɧɚ ɫɬɟɤɥɹɧɧɨɣ ɩɨɞɥɨɠɤɟ. ȼ ɤɚɱɟɫɬɜɟ
ɛɭɮɟɪɧɨɝɨ ɢ ɡɚɳɢɬɧɨɝɨ ɫɥɨɺɜ ɢɫɩɨɥɶɡɨɜɚɥɢɫɶ ɫɥɨɢ ɯɪɨɦɚ ɬɨɥɳɢɧɨɣ, ɫɨɨɬɜɟɬɫɬɜɟɧɧɨ, 50 ɢ 30 Հ. Ⱦɚɧ- ɧɵɟ ɪɟɧɬɝɟɧɨɜɫɤɨɣ ɪɟɮɥɟɤɬɨɦɟɬɪɢɢ ɫɜɢɞɟɬɟɥɶ- ɫɬɜɭɸɬ ɨ ɯɨɪɨɲɨ ɨɩɪɟɞɟɥɟɧɧɨɣ ɫɥɨɢɫɬɨɣ ɫɬɪɭɤɬɭɪɟ ɨɛɪɚɡɰɚ ɫɨ ɫɪɟɞɧɟɤɜɚɞɪɚɬɢɱɧɨɣ ɲɟɪɨɯɨɜɚɬɨɫɬɶɸ ɝɪɚɧɢɰ ɪɚɡɞɟɥɚ ɜ 1–2 ɚɬɨɦɧɵɯ ɦɨɧɨɫɥɨɹ [3].
Ɋɢɫ. 1. Ʉɪɢɜɵɟ ɆɈɗɄ ɢɡɦɟɪɟɧɧɵɟ ɩɪɢ T = 155 K ɧɚ ɞɜɭɯ ɫɬɨɪɨɧɚɯ ɩɥɺɧɤɢ: (1) – ɫɨ ɫɬɨɪɨɧɵ ɩɨɞɥɨɠɤɢ (ɝɪɚɧɢɱɧɵɣ ɫɥɨɣ – Fe), (2) – ɫ ɥɢɰɟɜɨɣ ɫɬɨɪɨɧɵ (ɝɪɚɧɢɱɧɵɣ ɫɥɨɣ – Gd)
Ʉɪɢɜɵɟ ɧɚɦɚɝɧɢɱɢɜɚɧɢɹ ɢɡɦɟɪɹɥɢɫɶ ɦɟɬɨɞɨɦ ɩɪɨ- ɞɨɥɶɧɨɝɨ ɦɚɝɧɢɬɨɨɩɬɢɱɟɫɤɨɝɨ ɷɮɮɟɤɬɚ Ʉɟɪɪɚ ɩɪɢ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚɯ 4–300Ʉ ɜ ɦɚɝɧɢɬɧɨɦ ɩɨɥɟ ɞɨ 10 ɤɗ, ɩɪɢɤɥɚɞɵɜɚɟɦɨɦ ɜ ɩɥɨɫɤɨɫɬɢ ɩɥɺɧɤɢ. ȼ ɤɚɱɟɫɬɜɟ ɢɫɬɨɱɧɢɤɚ ɫɜɟɬɚ ɢɫɩɨɥɶɡɨɜɚɥɫɹ ɩɨɥɭɩɪɨɜɨɞɧɢɤɨ- ɜɵɣ ɥɚɡɟɪ ɫ ɞɥɢɧɨɣ ɜɨɥɧɵ 635 ɧɦ. ɉɪɨɡɪɚɱɧɨɫɬɶ ɩɨɞɥɨɠɤɢ ɢ ɦɚɥɚɹ ɬɨɥɳɢɧɚ ɛɭɮɟɪɧɨɝɨ ɢ ɡɚɳɢɬɧɨɝɨ ɫɥɨɺɜ ɯɪɨɦɚ ɩɨɡɜɨɥɹɥɢ ɩɪɨɜɨɞɢɬɶ ɢɡɦɟɪɟɧɢɹ ɤɚɤ ɫ ɥɢɰɟɜɨɣ ɫɬɨɪɨɧɵ ɨɛɪɚɡɰɚ (ɝɪɚɧɢɱɧɵɣ ɫɥɨɣ – Gd), ɬɚɤ ɢ ɫɨ ɫɬɨɪɨɧɵ ɩɨɞɥɨɠɤɢ (ɝɪɚɧɢɱɧɵɣ ɫɥɨɣ – Fe).
Ƚɥɭɛɢɧɚ ɩɪɨɧɢɤɧɨɜɟɧɢɹ ɢɡɥɭɱɟɧɢɹ ɜ ɨɛɪɚɡɟɰ ɫɨ- ɫɬɚɜɥɹɥɚ ɩɨɪɹɞɤɚ 100 Å, ɩɨɷɬɨɦɭ ɫɢɝɧɚɥ ɆɈɗɄ
-6 -4 -2 0 2 4 6
-2 -1 0 1 2
2 1
1 2 HB
ɥɢɰɟɜɚɹ ɫɬɨɪ.
ɩɨɞɥɨɠɤɚ
ɫɢɝɧɚɥɆɈɗɄ, ɨɬɧ. ɟɞ.
H, ɤɗ
ɫɤɪɭɱɟɧɧɨɟ ɩɨɜɟɪɯɧ. ɫɤɪɭɱ.
Fe-ɨɪɢɟɧɬɢɪɨɜɚɧɧɨɟ ɨɛɪɚɡɟɰ
ɝɟɨɦɟɬɪɢɹ ɆɈɗɄ:
HS
Ɇɚɬɟɪɢɚɥɵ XXIII Ɇɟɠɞɭɧɚɪɨɞɧɨɝɨ ɫɢɦɩɨɡɢɭɦɚ «ɇɚɧɨɮɢɡɢɤɚ ɢ ɧɚɧɨɷɥɟɤɬɪɨɧɢɤɚ» Ɍɨɦ 1
ɋɟɤɰɢɹ 2. Ɇɚɝɧɢɬɧɵɟ ɧɚɧɨɫɬɪɭɤɬɭɪɵ 191
ɞɚɜɚɥ ɢɧɮɨɪɦɚɰɢɸ ɨ ɧɚɩɪɚɜɥɟɧɢɢ ɧɚɦɚɝɧɢɱɟɧɧɨ- ɫɬɢ ɜ ɧɟɫɤɨɥɶɤɢɯ ɜɟɪɯɧɢɯ ɫɥɨɹɯ ɫɜɟɪɯɪɟɲɺɬɤɢ.
Ɋɟɡɭɥɶɬɚɬɵ ɢ ɨɛɫɭɠɞɟɧɢɟ
ɉɪɟɞɵɞɭɳɢɟ ɢɡɦɟɪɟɧɢɹ ɫɬɚɬɢɱɟɫɤɨɣ ɧɚɦɚɝɧɢɱɟɧ- ɧɨɫɬɢ ɩɨɤɚɡɚɥɢ [3], ɱɬɨ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚ Ʉɸɪɢ ɝɚɞɨɥɢ- ɧɢɹ ɜ ɢɫɫɥɟɞɭɟɦɨɦ ɨɛɪɚɡɰɟ ɫɨɫɬɚɜɥɹɟɬ TCGd § 200 K.
Ɍɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚ ɤɨɦɩɟɧɫɚɰɢɢ ɩɪɢ ɷɬɨɦ ɨɤɚɡɵɜɚɟɬɫɹ ɪɚɜɧɚ Tcomp § 90 K. Ɍɟɫɬɨɜɵɟ ɢɡɦɟɪɟɧɢɹ ɨɬɞɟɥɶɧɵɯ ɩɥɺɧɨɤ Fe ɢ Gd ɩɨɤɚɡɚɥɢ, ɱɬɨ ɩɪɢ ɧɢɡɤɨɣ ɬɟɦɩɟɪɚ- ɬɭɪɟ ɫɢɝɧɚɥ ɆɈɗɄ ɨɬ ɩɥɺɧɤɢ Gd ɨɤɚɡɵɜɚɟɬɫɹ ɫɨ- ɢɡɦɟɪɢɦ ɫ ɫɢɝɧɚɥɨɦ ɨɬ ɩɥɺɧɤɢ Fe, ɩɪɢɱɺɦ ɢɦɟɟɬ ɩɪɨɬɢɜɨɩɨɥɨɠɧɵɣ ɡɧɚɤ.
Ɋɢɫ. 2. Ʉɪɢɜɵɟ ɆɈɗɄ, ɩɨɥɭɱɟɧɧɵɟ ɩɪɢ ɪɚɡɥɢɱɧɵɯ ɬɟɦɩɟ- ɪɚɬɭɪɚɯ ɫɨ ɫɬɨɪɨɧɵ ɩɥɺɧɤɢ Gd (a) ɢ ɫɨ ɫɬɨɪɨɧɵ ɩɥɺɧɤɢ Fe (b). ɑɟɪɧɵɟ ɫɬɪɟɥɤɢ ɩɨɤɚɡɵɜɚɸɬ ɧɚɱɚɥɨ ɩɨɞɤɨɫɚ ɧɚɦɚɝ- ɧɢɱɟɧɧɨɫɬɢ ɧɚ ɢɡɭɱɚɟɦɨɣ ɫɬɨɪɨɧɟ ɨɛɪɚɡɰɚ
ɇɚ ɪɢɫ. 1 ɩɨɤɚɡɚɧɵ ɤɪɢɜɵɟ ɆɈɗɄ, ɩɨɥɭɱɟɧɧɵɟ ɩɪɢ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɟ 155 Ʉ ɧɚ ɞɜɭɯ ɫɬɨɪɨɧɚɯ ɢɡɭɱɚɟɦɨɝɨ ɨɛɪɚɡɰɚ. ɉɨɫɤɨɥɶɤɭ ɝɥɭɛɢɧɚ ɩɪɨɧɢɤɧɨɜɟɧɢɹ ɫɜɟɬɚ ɩɪɟɜɨɫɯɨɞɢɬ ɜɟɥɢɱɢɧɭ ɩɟɪɢɨɞɚ ɫɜɟɪɯɪɟɲɟɬɤɢ, ɧɚ ɨɛɟɢɯ ɤɪɢɜɵɯ ɜɢɞɟɧ ɜɤɥɚɞ ɤɚɤ ɨɬ ɠɟɥɟɡɧɨɝɨ ɫɥɨɹ, ɬɚɤ ɢ ɨɬ ɫɥɨɹ ɝɚɞɨɥɢɧɢɹ. ȼɵɲɟ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɵ ɤɨɦ- ɩɟɧɫɚɰɢɢ ɜ ɫɥɚɛɨɦ ɩɨɥɟ ɩɪɟɜɚɥɢɪɭɟɬ ɫɢɝɧɚɥ ɨɬ ɧɚɦɚɝɧɢɱɟɧɧɨɫɬɢ Fe, ɤɨɬɨɪɚɹ ɨɪɢɟɧɬɢɪɭɟɬɫɹ ɩɨ ɩɨɥɸ ɭɠɟ ɜ ɩɨɥɹɯ ɦɟɧɟɟ 100 ɗ (Fe-ɨɪɢɟɧɬɢ- ɪɨɜɚɧɧɚɹ ɮɚɡɚ). ɇɚɦɚɝɧɢɱɟɧɧɨɫɬɶ Gd ɡɚ ɫɱɟɬ ɫɢɥɶ- ɧɨɝɨ ɚɧɬɢɮɟɪɪɨɦɚɝɧɢɬɧɨɝɨ ɨɛɦɟɧɚ ɧɚ ɝɪɚɧɢɰɟ Fe–
Gd ɨɤɚɡɵɜɚɟɬɫɹ ɧɚɩɪɚɜɥɟɧɚ ɩɪɨɬɢɜɨɩɨɥɨɠɧɨ ɩɨɥɸ ɢ ɞɚɟɬ ɞɨɩɨɥɧɢɬɟɥɶɧɵɣ ɜɤɥɚɞ ɜ ɫɢɝɧɚɥ ɆɈɗɄ ɬɨɝɨ ɠɟ ɡɧɚɤɚ. ɉɪɢ ɢɡɦɟɪɟɧɢɢ ɫɨ ɫɬɨɪɨɧɵ ɩɥɺɧɤɢ Gd (ɤɪɢɜɚɹ 2) ɫɢɝɧɚɥ ɨɫɬɚɟɬɫɹ ɩɨɫɬɨɹɧɧɵɦ ɞɨ ɩɨɥɹ HS
(ɩɨɥɟ ɩɟɪɟɯɨɞɚ ɜ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɧɨɟ ɫɤɪɭɱɟɧɧɨɟ ɫɨɫɬɨ- ɹɧɢɟ), ɜɵɲɟ ɤɨɬɨɪɨɝɨ ɧɚɦɚɝɧɢɱɟɧɧɨɫɬɶ ɧɚɪɭɠɧɨɝɨ ɫɥɨɹ Gd ɧɚɱɢɧɚɟɬ ɩɨɞɜɨɪɚɱɢɜɚɬɶɫɹ ɜ ɫɬɨɪɨɧɭ ɩɨɥɹ, ɢ ɫɢɝɧɚɥ ɆɈɗɄ ɧɚɱɢɧɚɟɬ ɭɦɟɧɶɲɚɬɶɫɹ. ɉɪɢ ɢɡɦɟ- ɪɟɧɢɢ ɫɨ ɫɬɨɪɨɧɵ ɫɥɨɹ Fe (ɤɪɢɜɚɹ 1) ɧɚɦɚɝɧɢɱɟɧ- ɧɨɫɬɶ ɨɫɬɚɟɬɫɹ ɩɨɫɬɨɹɧɧɨɣ ɞɨ ɡɚɦɟɬɧɨ ɛɨɥɶɲɟɝɨ ɩɨɥɹ HB, ɜɵɲɟ ɤɨɬɨɪɨɝɨ ɫɤɪɭɱɟɧɧɨɟ ɫɨɫɬɨɹɧɢɟ ɪɚɫ- ɩɪɨɫɬɪɚɧɹɟɬɫɹ ɧɚ ɜɫɸ ɝɥɭɛɢɧɭ ɫɜɟɪɯɪɟɲɟɬɤɢ.
Ɋɢɫ. 3. Ɋɟɡɭɥɶɬɢɪɭɸɳɚɹ ɮɚɡɨɜɚɹ ɞɢɚɝɪɚɦɦɚ ɫɜɟɪɯɪɟɲɟɬ- ɤɢ Fe/Gd. Ɍɨɱɤɢ ɩɨɥɭɱɟɧɵ ɦɟɬɨɞɨɦ ɆɈɗɄ, ɤɪɢɜɵɟ – ɪɟ- ɡɭɥɶɬɚɬ ɪɚɫɱɟɬɚ, ɜɵɩɨɥɧɟɧɧɨɝɨ ɜ ɪɚɦɤɚɯ ɦɨɞɟɥɢ ɫɪɟɞɧɟɝɨ ɩɨɥɹ ɧɚ ɨɫɧɨɜɟ ɞɚɧɧɵɯ ɎɆɊ ɢ SQUID-ɦɚɝɧɢɬɨɦɟɬɪɢɢ [3]
ɇɚ ɪɢɫ. 2 ɩɨɤɚɡɚɧɚ ɬɟɦɩɟɪɚɬɭɪɧɚɹ ɷɜɨɥɸɰɢɹ ɤɪɢ- ɜɵɯ ɆɈɗɄ, ɩɨɥɭɱɟɧɧɵɯ ɧɚ ɪɚɡɧɵɯ ɫɬɨɪɨɧɚɯ ɨɛɪɚɡ- ɰɚ. ɇɭɠɧɨ ɨɬɦɟɬɢɬɶ, ɱɬɨ ɩɪɢ T < Tcompɤɪɢɜɵɟ, ɢɡ- ɦɟɪɟɧɧɵɟ ɫɨ ɫɬɨɪɨɧɵ ɩɥɺɧɤɢ Fe, ɨɤɚɡɵɜɚɸɬɫɹ ɦɟ- ɧɟɟ ɧɚɝɥɹɞɧɵɦɢ ɢɡ-ɡɚ ɛɨɥɶɲɨɣ ɤɨɷɪɰɢɬɢɜɧɨɣ ɫɢɥɵ ɩɥɺɧɨɤ Gd. Ɍɟɦ ɧɟ ɦɟɧɟɟ, ɚɧɚɥɢɡ ɷɬɢɯ ɤɪɢɜɵɯ ɩɨɡ- ɜɨɥɢɥ ɩɨɫɬɪɨɢɬɶ ɮɚɡɨɜɭɸ ɞɢɚɝɪɚɦɦɭ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬ- ɧɵɯ ɢ ɨɛɴɺɦɧɵɯ ɫɤɪɭɱɟɧɧɵɯ ɫɨɫɬɨɹɧɢɣ ɜ ɢɡɭɱɟɧ- ɧɨɣ ɫɜɟɪɯɪɟɲɟɬɤɟ (ɪɢɫ. 3).
Ƚɪɚɧɢɰɵ ɭɫɬɨɣɱɢɜɨɫɬɢ ɫɤɪɭɱɟɧɧɵɯ ɫɨɫɬɨɹɧɢɣ, ɩɨ- ɥɭɱɟɧɧɵɟ ɦɟɬɨɞɨɦ ɆɈɗɄ, ɨɤɚɡɚɥɢɫɶ ɜ ɯɨɪɨɲɟɦ ɫɨɝɥɚɫɢɢ ɫ ɪɚɫɱɟɬɚɦɢ, ɫɞɟɥɚɧɧɵɦɢ ɪɚɧɟɟ ɧɚ ɨɫ- ɧɨɜɟ ɢɡɦɟɪɟɧɢɹ ɎɆɊ ɢ ɫɬɚɬɢɱɟɫɤɨɣ ɧɚɦɚɝɧɢɱɟɧ- ɧɨɫɬɢ [3].
Ɋɚɛɨɬɚ ɜɵɩɨɥɧɟɧɚ ɩɪɢ ɮɢɧɚɧɫɨɜɨɣ ɩɨɞɞɟɪɠɤɟ ɊɎɎɂ (ɩɪɨɟɤɬ ʋ18-37-00182-«ɦɨɥ_ɚ»).
Ʌɢɬɟɪɚɬɭɪɚ
1. R.E. Camley // Handbook of Surface Science 5, 243–295 (2015).
2. S. Mangin et al. // Nat. Mater. 13, 286 (2014).
3. A.B. Drovosekov et al. // J. Phys.: Condens. Matter 29, 115802 (2017).
-4 -2 0 2 4 -4 -2 0 2 4
ɋɢɝɧɚɥɆɈɗɄ, ɨɬɧ. ɟɞ.
H, ɤɗ 294 K 155 K 123 K 98 K 89 K 71 K 20 K 4.5 K (a)
Tcomp (b)
x2 x2
H, ɤɗ 297 K 156 K 120 K 100 K 90 K 70 K 30 K 4.5 K
x2
0 50 100 150 200
0 2 4 6
8 ɝɪɚɧɢɱɧɵɣ ɫɥɨɣ - Gd ɝɪɚɧɢɱɧɵɣ ɫɥɨɣ - Fe
ɉɨɜɟɪɯɧɨɫɬɧɨɟ ɫɤɪɭɱɢɜɚɧɢɟ
H,ɤɗ
T, K ɋɤɪɭɱɟɧɧɨɟ ɦɚɝɧɢɬɧɨɟ
ɫɨɫɬɨɹɧɢɟ
Fe - ɨɪɢɟɧɬɢɪ.
Gd-ɨɪɢɟɧɬɢɪ.
Tcomp TCGd
192 ɋɟɤɰɢɹ 2. Ɇɚɝɧɢɬɧɵɟ ɧɚɧɨɫɬɪɭɤɬɭɪɵ
ɉɚɪɚɦɟɬɪɢɱɟɫɤɢɟɩɪɨɰɟɫɫɵɜɷɥɟɦɟɧɬɚɯ 'ɦɢɤɪɨɜɨɥɧɨɜɨɞɧɵɯɪɟɲɺɬɨɤ
ȽɆȾɭɞɤɨɘȼɏɢɜɢɧɰɟɜȼɄɋɚɯɚɪɨɜȺȼɄɨɠɟɜɧɢɤɨɜ ɘȺɎɢɥɢɦɨɧɨɜ
1Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, ул. Зеленая, 38, Саратов, 410019
2Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, ул. Астраханская, 83, Саратов, 410012
*dugal_2010@hotmail.com, §kzhavl@gmail.com
Экспериментально и методом микромагнитного моделирования исследовано влияние параметрической неустойчивости на спектр сигнала спиновых волн (СВ) в полосе фильтрации касательно намагниченной крестовидной структуры из двух ортого- нальных волноводов, определяемой как частотный интервал перекрытия спектров СВ продольно и поперечно намагниченных волноводов. На концах волноводов располагались антенны СВ, одна из которых являлась входной и использовалась для возбуж- дения СВ в структуре, а три другие использовались для анализа спектра выходных сигналов. Показано, что в условиях развития параметрической неустойчивости СВ вид спектра на выходных антеннах ортогонально расположенных волноводов может за- метно различаться. Этот эффект связывается с механизмом формирования вторичных СВ-сателлитов в спектре сигнала накачки с участием в процессе нелинейного взаимодействия латеральных мод крестовидной структуры.
ȼɜɟɞɟɧɢɟ
Магнитные колебания и волны в магнитных «кре- стах» представляют интерес в связи с разработкой архитектуры и технологий устройств спиновой ло- гики, памяти и устройств обработки СВЧ-сигналов [1]. Целью данной работы было исследование влия- ния развития параметрической неустойчивости на распространение СВ в крестовидных структурах на основе пленки ЖИГ. Наличие у крестовидных структур, составленных из волноводов конечной ширины, фильтрующих свойств и латерального квантования спектра СВ [2] может влиять на про- цесс формирования волн сателлитов в спектре. Цель данной работы экспериментально и микромагнит- ным моделированием с помощью пакета ООММF [3] исследовать развитие параметрической неустой- чивости СВ в крестовидной структуре при измене- нии мощности входного сигнала.
ɂɫɫɥɟɞɭɟɦɚɹɫɬɪɭɤɬɭɪɚ
ɢɷɤɫɩɟɪɢɦɟɧɬɚɥɶɧɵɟɪɟɡɭɥɶɬɚɬɵ
Исследовалось распространение СВ в крестовидной структуре, показанной на рисунке 1. Крест был сформирован из пленки ЖИГ толщиной d≈3.8μm, Волноводы имели ширину w≈0.5 mm и длину L≈3 mm. Структура располагалась на немагнитном металлическом основании, где были смонтированы коаксиальные переходы, соединенные с четырьмя антеннами СВ из золотой проволоки диаметром 30μm и длиной около 0.6 mm, расположенными на расстоянии 200μm от краев волноводов. Ан- тенна 1 использовалась для возбуждения СВ, а
остальные (2-4) в качестве приемных. Макет поме- щался в зазор между полюсами электромагнита так, что магнитное поле ܪሬሬԦ лежало в плоскости структуры и ориентировалось параллельно входной антенне 1.
Входной сигнал с анализатора цепей (5) через уси- литель мощности (3) и регулируемый аттенюа- тор (2) подавался на порт 1 структуры. При этом максимальный уровень падающей мощности со- ставлял Pin≈100 mW. Выходные сигналы с портов 2- 4 исследуемой структуры через СВЧ-переключатель и СВЧ широкополосный усилитель поступали на анализатор спектра.
Ɋɢɫ Блок-схема экспериментальной установки
Рассматривалось влияние мощности входного сиг- нала Pin на частотные зависимости спектров пере- дачи между портом 1 и портами 2-4, с которых сни- мается выходной сигнал мощностью ܲ. При этом учитывалось, что законы сохранения энергии и им- пульса, необходимые для развития параметрической неустойчивости первого порядка (трехмагнонной), разрешены лишь в области значений частот и полей подмагничивания, где выполняется условие݂ ʹή(1). Здесь ݂ – минимальная частота (частота
«дна») в спектре СВ.
Ɇɚɬɟɪɢɚɥɵ XXIII Ɇɟɠɞɭɧɚɪɨɞɧɨɝɨ ɫɢɦɩɨɡɢɭɦɚ «ɇɚɧɨɮɢɡɢɤɚ ɢ ɧɚɧɨɷɥɟɤɬɪɨɧɢɤɚ» Ɍɨɦ 1
ɋɟɤɰɢɹ 2. Ɇɚɝɧɢɬɧɵɟ ɧɚɧɨɫɬɪɭɤɬɭɪɵ 193
Ɋɢɫ Вид спектра сигнала на частоте накачки на выход- ных антеннах 2, 3 и 4 при надкритичности накачки C≈31- 38dB в зависимости от величины магнитного поля
На рисунке 2 представлены результаты, полученные при значениях частоты накачки ݂ൎ ͵. При этом интервал полей подмагничивания выбирался с уче- том необходимости выполнения условия (1) и со- ставлял 390 ≤ H ≤ 510 Oe. Наличие у крестовидной структуры фильтрующих свойств хорошо заметно в случае высокой надкритичности сигнала накачки, когда спектр становится шумовым. Видно, что по- лоса частот ߂ߗୄൎ ο݂צǡୄ определяет ширину шумо- вого спектра с выхода антенны 3. Интересно также отметить, что на выходной антенне 2 относительная интенсивность шума в спектре выходного сигнала в полосеο݂צǡୄ оказывается ниже, чем в спектре сиг- нала на антенне 3. Это следует связать с характером латеральных мод поперечно намагниченного волно- вода, на котором расположена антенна. Обращает на себя внимание существенная разница в спектрах сигналов на антеннах 3 и 4.
На рисунке 3 приведены результаты микромагнит- ного моделирования, в ходе которого изучалась не- устойчивость второго порядка дипольных латераль- ных МСВ в крестовидной структуре на основе пленки ЖИГ при возбуждении МСВ локализован- ной СВЧ накачкой на антенне 1. Показаны спектр собственных колебаний структуры с параметрами, аналогичными рассматриваемым в физическом экс- перименте и спектры выходных сигналов на антен- нах 2- 4 при поле намагничивания Н = 410 Oe.
Можно видеть, что при высоких уровнях надкритич- ности (݄௭ൌ ͷͲܱ݁), спектры выходных сигналов на антеннах 3 и 4, симметрично расположенных от- носительно входной антенны 1, имеют качественные
и количественные различия. Это подтверждает, на наш взгляд, наличие общих механизмов (на настоящий момент непонятых нами), которые приводят в том числе и к показанному на рисунке 2 расхождению спектров сигналов с выходов 3 и 4 кре- стовидной структуры при параметрической неустой- чивости первого порядка.
ɊɢɫɭɧɨɤРезультаты микромагнитного моделирования спектра выходных сигналов
Показано, что из-за наличия фильтрующих свойств у структур на основе ортогональных волноводов, спектры выходных сигналов в условиях развития па- раметрической неустойчивости существенно опре- деляются положением полосы пропускания креста в полосе частот анализируемого спектра. Установ- лено существенное влияние на вид спектра эффек- тов латерального квантования в структуре. Пока- зано, что в крестовидной структуре при высоком уровне надкритичности накачки вид спектра на вы- ходных антеннах, симметрично расположенных от- носительно входной антенны, может кардинально различаться. Этот эффект имеет место при развитии параметрических неустойчивостей и первого,и вто- рого порядка.
Работа поддержана РНФ (проект № 17-19-01673).
Ʌɢɬɟɪɚɬɭɪɚ
1. С.А. Никитов, Д.В. Калябин, И.В. Лисенков и др. // УФН. Т. 185. С.1099-1128 (2015).
2. T.W.O’Keeffe., R.W. Patterson // J. Appl. Ptys.
V. 49, N 9. P. 4886-4895 (1978).
3. https://math.nist.gov/oommf
194 ɋɟɤɰɢɹ 2. Ɇɚɝɧɢɬɧɵɟ ɧɚɧɨɫɬɪɭɤɬɭɪɵ
ɂɧɜɟɪɫɧɵɣɫɩɢɧɨɜɵɣɷɮɮɟɤɬɏɨɥɥɚɜQ6L ɫɜɢɫɦɭɬɨɦɢɧɞɭɰɢɪɨɜɚɧɧɵɣɎɆɊɜ3\6L
ȺȺȿɠɟɜɫɤɢɣȾȼȽɭɫɟɣɧɨɜȺȼɋɭɯɨɪɭɤɨɜȺȽȽɨɪɲɤɨɜɚȺɉȾɟɬɨɱɟɧɤɨ ȺȼɇɨɜɢɤɨɜɇɋȽɭɫɟɜȾȼɘɪɚɫɨɜ
1 Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603950.
2 Институт физики микроструктур РАН, ул. Академическая, д. 7, д. Афонино, Нижегородская обл., 607680.
*ezhevski@phys.unn.ru
Экспериментально наблюдался инверсный спиновый эффект Холла в кремнии n-типа при рассеянии спин-поляризованных элек- тронов проводимости на спин-орбитальном потенциале висмута. Спиновый ток в слое кремния индуцировался путем возбужде- ния прецессии намагниченности при ферромагнитном резонансе в тонком слое пермаллоя, нанесенном на кремниевую струк- туру.
ȼɜɟɞɟɧɢɟ
Особенностью кремния n-типа при использовании как материала спинтроники является слабое реше- точное спин-орбитальное взаимодействие для элек- тронов, что с одной стороны приводит к слабым эф- фектам аккумуляции спинов в нем из-за малых уг- лов спинового эффекта Холла, а с другой -к суще- ственно более низким скоростям спиновой релакса- ции и большим длинам спиновой диффузии. С по- мощью легирования кремния тяжелыми донорамиV группы, за счет сильного спин-зависимого рассея- ния на спин-орбитальном потенциале (СОП), вноси- мом донором, можно управлять спин-орбитальным вкладом в рассеяние, что может при определенных условиях способствовать генерации и детектирова- нию спиновых токов. В данной работе мы сообщаем о наблюдении инверсного спинового эффекта Холла (ИСЭХ) в кремнии n-типа при рассеянии электронов проводимости на спин-орбитальном потенциале висмута, спин-поляризованных при ферромагнит- ном резонансе в слое пермаллоя, нанесенном на кремниевую структуру.
Ɇɟɬɨɞɢɤɚɷɤɫɩɟɪɢɦɟɧɬɚ
Для исследования эффектов, связанных с возбужде- нием и детектированием спиновых токов в n-крем- нии при комнатных температурах, было использо- вано явление спиновой «накачки» (spinpumping [1]).
Для этого на подложке SOI были подготовлены структуры, состоящие из слоя кремния (d~500нм) легированного висмутом и фосфором (NP>>NBi), на который наносился слой пермаллоя (Py) толщиной 5-10 нм (рис. 1).
Легирование слоя кремния висмутом и фосфором проводилось с помощью ионной имплантации и от-
жига. Далее с помощью взрывной литографии маг- нетронного напыления изготавливались омические Au/Ti контакты и наносился слой пермаллоя.
Ɋɢɫ Структура на основе кремния для исследования ИСХЭ
Спектры ФМР в слое пермаллоя возбуждались и из- мерялись на спектрометре Bruker_EMX-plus-10/12 (9.4ГГц) при комнатной температуре. Напряжение ИСЭХ на контактах измерялось с помощью селек- тивного вольтметра на частоте модуляции магнит- ного поля 100кГц и регистрировалось с помощью за- писывающего осциллографа.
Ɋɟɡɭɥɶɬɚɬɵɢɨɛɫɭɠɞɟɧɢɟ
Ранее [2], исследования спектров спинового резо- нанса электронов проводимости и зависимостей ши- рины линии и g-фактора от температуры показали, что спиновое рассеяние электронов проводимости на спин-орбитальном потенциале висмута дает су- щественный вклад. Также мы наблюдали спиновый эффект Холла в n-кремнии с висмутом на фоне нор- мального эффекта Холла при температурах 50-80К.
В настоящей работе спиновый ток в слое кремния ин- дуцировался путем возбуждения прецессии намагни- ченности при ферромагнитном резонансе в тонком (5–10нм) слое пермаллоя (Ni80Fe20)(Рис. 2),нанесен- ном на слой кремния с висмутом. Согласно [1]:
Ɇɚɬɟɪɢɚɥɵ XXIII Ɇɟɠɞɭɧɚɪɨɞɧɨɝɨ ɫɢɦɩɨɡɢɭɦɚ «ɇɚɧɨɮɢɡɢɤɚ ɢ ɧɚɧɨɷɥɟɤɬɪɨɧɢɤɚ» Ɍɨɦ 1
ɋɟɤɰɢɹ 2. Ɇɚɝɧɢɬɧɵɟ ɧɚɧɨɫɬɪɭɤɬɭɪɵ 195
»¼º
«¬ª u S
np
dt t t dM M M
g j
s r
s ()
) 1 (
4 2
& !
, (1) Детектирование диффузионного спинового тока производилось по сигналу (напряжению) инверс- ного спинового эффекта Холла (Рис. 2), возникаю- щего за счет рассеяния спинов электронов на при- месном спин-орбитальном потенциале, вносимом донорным центром висмута, поскольку решеточный вклад очень мал. В отличие от нашего случая, в [1]
исследовался ИСЭХ в р-кремнии при рассеянии ды- рок на решеточном СОП. В обоих случаях справед- ливо [3]:
V u U
4 & &
s N SHE
ISHE j
E ( ) (2)
В кремнии р-типа [1] сигнал был максимален при направлении магнитного поля, параллельном кон- тактам (Рис. 1, T=0, Н||Z), однако в n-кремнии, мы не обнаружили сигнала ИСХЭ при таком направлении Н, при этом, сигнал был максимален при угле T=45q.
На рис. 3 показана угловая зависимость сигнала ИСХЭ при вращении магнитного поля в плоскости слоя, которая не может быть описана только с помо- щью (1) и (2).
Такая зависимость от угла может быть связана с раз- личным участием долин в зоне проводимости крем- ния в спиновом рассеянии. Действительно, если рас- смотреть переходы между различными долинами (f-процессы), которые возможно являются основ- ными, то с учетом сохранения спина при рассеянии, приводящем к СЭХ при заданной спиновой поляри- зации, которая в условиях нашего эксперимента определяется направлением Н, не все переходы ока- зываются разрешенными из-за анизотропии долин.
Вероятности переходов оказываются зависящими от ориентации осей кристалла относительно магнит- ного поля. На Рис. 1 главные оси долин направлены под углом 45q относительно Z||[110] в плоскости (001) слоя. В этом случае, переходы с сохранением спина, участвующие в СЭХ, будут возникать только при ориентации поля под углом 45qотносительно Z, а при параллельной Zориентации условие сохране- ния спина нарушается и сигнал ИСХЭ равен нулю.
Используя параметры эксперимента и полученные результаты (Vf=1.49·106Ом·м, Vn=5.0·104Ом·м, VISHE=200нм, 4SMs=0.99708Тл, D=0.00893403, gnp=4.45022·1017м-2, js=6.20461·10-11J/м2) мы оце- нили угол спинового эффекта Холла вTSHE=0.0001.
Это значение совпало с расчетами [4].
В кремнии p-типа, легированном бором также был измерен угол спинового эффекта Холла [1]
(TSHE=0.0001).Как видно, углы СЭХ для электронов
при рассеянии на висмуте и дырок в р-кремнии сов- падают и оказываются одного порядка с тем, что был найден в арсениде галлия.
ɊɢɫСпектр ФМР и напряжение ИСХЭ в кремнии, леги- рованном висмутом. T=45q
Ɋɢɫ Зависимость амплитуды сигнала ИСХЭ от угла между внешним магнитным полем H и осью Z
Авторы выражают благодарность А.А. Фраерману за интерес к работе и плодотворные дискуссии.
Ʌɢɬɟɪɚɬɭɪɚ
1. Ando, K. &Saitoh, E. et al// Nat. Commun. 3:629 doi: 10.1038/ncomms1640 (2012). ).
2. A.V. Soukhorukov, D.V. Guseinov, A.A. Ezhevskii et al. //Solid State Phenomena Vol. 242,. P. 322-326 (2016).
3. E.Saitoh, M. Ueda, H.Miyajima, G.Tatara.// Ap- plPhys Lett 88:182509(2006).
4. H. Tetlow, M. Gradhand//Physical Review B 87, 075206 (2013)
-5,00E+06 0,00E+00 5,00E+06 1,00E+07
950 1050 1150 1250
Intensity
Magnetic field, Oe
-100 -50 0 50
950 1050 1150 1250
Intensity
Magnetic field, Oe
-80 -40 0 40 80
-360 -315 -270 -225 -180 -135 -90 -45 0 45 90
Intensity
T, degree
196 ɋɟɤɰɢɹ 2. Ɇɚɝɧɢɬɧɵɟ ɧɚɧɨɫɬɪɭɤɬɭɪɵ