Войти
Смещение обмена или анизотропия обмена возникает в двухслойных (или многослойных) слоях магнитных материалов, где жесткое намагничивание тонкой пленки антиферромагнетика вызывает сдвиг кривой мягкого намагничивания пленки ферромагнетик. Феномен обменного смещения чрезвычайно полезен при магнитной записи, где он используется для фиксации состояния считывающих головок жестких дисков в точной точке их максимальной чувствительности; отсюда и термин «предвзятость».
Легкоосевые кривые намагничивания а) мягкой ферромагнитной пленки; б) антиферромагнитная пленка и в) обменно-смещенный бислой, состоящий из ферромагнетика и антиферромагнетика. Восприимчивость (наклон) кривой намагничивания антиферромагнетика преувеличена для ясности. Существенная физика, лежащая в основе явления, - это обменное взаимодействие между антиферромагнетиком и ферромагнетиком на их границе раздела. Поскольку антиферромагнетики имеют небольшую суммарную намагниченность или ее отсутствие, на ориентацию их спинов внешнее магнитное поле влияет лишь незначительно. У мягкой ферромагнитной пленки, которая сильно обменно связана с антиферромагнетиком, будут закреплены межфазные спины. Инверсия момента ферромагнетика будет иметь дополнительные энергетические затраты, соответствующие энергии, необходимой для создания доменной стенки Нееля внутри антиферромагнитной пленки. Член добавленной энергии означает сдвиг в поле переключения ферромагнетика. Таким образом, кривая намагничивания обменно-смещенной ферромагнитной пленки выглядит как кривая нормального ферромагнетика, за исключением того, что она смещена от оси H = 0 на величину H b.
. В наиболее хорошо изученных двойных слоях ферромагнетик / антиферромагнетик Температура Кюри ферромагнетика больше, чем температура Нееля TNантиферромагнетика. Это неравенство означает, что направление обменного смещения может быть установлено путем охлаждения до T N в присутствии приложенного магнитного поля. Момент магнитоупорядоченного ферромагнетика будет прикладывать эффективное поле к антиферромагнетику по мере его упорядочения, нарушая симметрию и влияя на образование доменов.
Эффект обменного смещения объясняется ферромагнитной однонаправленной анизотропией, образованной на границе раздела между различными магнитными фазами. Обычно процесс полевого охлаждения от более высокой температуры используется для получения ферромагнитной однонаправленной анизотропии в различных системах обменного смещения. В 2011 году было реализовано большое обменное смещение после охлаждения в нулевом поле из немагниченного состояния, которое было приписано вновь образованной границе раздела между различными магнитными фазами во время начального процесса намагничивания.
Обменная анизотропия долгое время оставалась малоизученной из-за сложности изучения динамики доменных границ в тонких антиферромагнитных пленках. Наивный подход к проблеме предполагает следующее выражение для энергии на единицу площади:
где n - количество межфазных взаимодействий спинов на единицу площади, J ex - обменная константа в границы раздела, S относится к вектору спина, M относится к намагниченности, t относится к толщине пленки, а H - к внешнему полю. Нижний индекс F описывает свойства ферромагнетика и AF антиферромагнетика. Выражение опускает магнитокристаллическую анизотропию, на которую не влияет присутствие антиферромагнетика. В поле переключения ферромагнетика энергия пиннинга, представленная первым членом, и дипольная связь Зеемана, представленная вторым членом, будут точно сбалансированы. Затем уравнение предсказывает, что сдвиг обменного смещения H b будет задан выражением
Многие экспериментальные данные, касающиеся предвзятости обмена, противоречат этой простой модели. Например, величина измеренных значений H b обычно в 100 раз меньше, чем величина, предсказываемая уравнением для разумных значений параметров. Величина гистерезисного сдвига H b не коррелирует с плотностью n нескомпенсированных спинов в плоскости антиферромагнетика, которая появляется на границе раздела. Кроме того, эффект обменного смещения в эпитаксиальных бислоях обычно меньше, чем в поликристаллических, что указывает на важную роль дефектов. В последние годы прогресс в фундаментальном понимании был достигнут с помощью экспериментов по синхротронному излучению на основе специфичного для элементов магнитного линейного дихроизма, которые могут отображать антиферромагнитные домены и частотно-зависимую магнитную восприимчивость измерения, которые могут исследовать динамику. Эксперименты на модельных системах Fe / FeF 2 и Fe / MnF 2 оказались особенно плодотворными.
Обменное смещение первоначально использовалось для стабилизации намагниченности мягких ферромагнитных слоев в головках считывания на основе эффекта анизотропного магнитосопротивления (AMR). Без стабилизации состояние магнитного домена головки может быть непредсказуемым, что приведет к проблемам с надежностью. В настоящее время обменное смещение используется для закрепления более жесткого эталонного слоя в головках считывания спинового клапана и в схемах памяти MRAM, в которых используется гигантское магнитосопротивление или магнитное туннелирование эффект. Аналогичным образом наиболее совершенные дисковые носители имеют антиферромагнитную связь, что позволяет использовать межфазный обмен для эффективного повышения стабильности малых магнитных частиц, поведение которых в противном случае было бы суперпарамагнитным.
Желательные свойства материала с обменным смещением включают высокий Температура Нееля, большая магнитокристаллическая анизотропия и хорошая химическая и структурная совместимость с NiFe и Co, наиболее важными ферромагнитными пленками. Наиболее технологически значимыми материалами обменного смещения были антиферромагнитные оксиды со структурой каменной соли, такие как NiO, CoO и их сплавы, и интерметаллиды со структурой каменной соли, такие как FeMn, NiMn, IrMn и их сплавы.
Обменная анизотропия была обнаружена Мейкледжоном и Бином из General Electric в 1956 году. Первым коммерческим устройством, в котором использовался обменный сдвиг, был IBM анизотропное магнитосопротивление (AMR) дисковод записывающая головка, основанная на конструкции Ханта 1970-х годов, но не полностью вытесняющая индуктивную головку обратного чтения до начала 1990-х гг. К середине 1990-х годов головка вращающегося клапана , в которой использовался слой обменного смещения, была на пути к вытеснению головки AMR.
