Эффект спиновых фильтров во внутренних магнитных слоях

Измерения на BESSY II показали, как спиновые фильтры, образующиеся в магнитных многослойных структурах, влияют на туннельную магниторезистивность (ТМР). Результаты могут помочь в разработке спинтронных компонентов.

В процессе исследований команды улучшили свое понимание процессов, которые имеют важное значение для будущих ТМР-устройств хранения данных и других спинтронных компонентов.

Сегодня слои магнитных материалов можно найти в каждом жестком диске и в каждой головке чтения/записи. Это «сэндвичи» из сложных гетероструктур, в которых различные слои имеют в типичном случае толщины всего лишь несколько нанометров. Решающее значение для их работы имеет квантовый эффект так называемого туннельного магнетосопротивления (ТМР). Он имеет место, когда два ферромагнитных слоя отделены друг от друга изолирующим слоем толщиной в несколько слоев атомов. До тех пор пока намагниченность в обоих слоях параллельна, электроны могут туннелировать через изолятор, то есть сопротивление устройства является низким. Однако если изменить направление намагниченности в одном из слоев, то электроны больше не смогут туннелировать через средний слой, т. е. сопротивление станет высоким. Таким образом, электрическое сопротивление может быть точно контролируемым путем воздействия магнитным полем на один из двух внешних слоев и связанным с двоичными значениями нуля и единицы, используемых для вычислений.

Команды из Франции, Испании и Центра Гельмгольца в Берлине (HZB) обнаружили, что в таких сэндвичах, сочетающих различные оксиды переходных металлов, новые граничные эффекты могут сильно влиять на амплитуду ТМР. Это то, что французская команда под руководством Мануэля Бибе (Manuel Bibes) и Агнессы Бартельми (Agnès Barthelemy) из Unité de Physique, CNRS/Thales, Palaiseau, (работает в сотрудничестве с командой Джакобо Сантамария (Jacobo Santamaria) в Мадриде) первоначально наблюдала при измерении характеристик электронного транспорта. Они исследовали систему из двух слоев LSMO (La0.7Sr0.3MnO₃), которые были разделены очень тонким слоем LFO (LaFeO₃). Слои LSMO были ферромагнитные, тогда как изолирующий слой LFO был антиферромагнитный.

Измерения с помощью камеры ALICE и инструмента XPEEM в пучке UE49 на BESSY II ясно показали, что происходит на границе между ферромагнитными слоями и антиферромагнитным внутренним слоем. С помощью XPEEM команды были в состоянии расшифровать, как каждый из магнитных элементов марганца и железа были ориентированы на границе раздела.

«Мы видели, как на границах возникают новые магнитные фазы, которые функционируют как спиновые фильтры, - пояснил Сержио Валенсия (Sergio Valencia), который возглавляет команду из HZB. - Проще говоря, атомы железа вблизи границы находятся под влиянием магнитных моментов марганца, поэтому они ориентируют свои магнитные моменты антипараллельно магнитным моментам этих атомов марганца и, следовательно, образуют ферромагнитные домены. Таким образом, мы впервые экспериментально продемонстрировали, что ферромагнитные домены могут быть индуцированы в неферромагнитных барьерных слоях». Французская команда выполнила последующие расчеты, как эти виды спиновых фильтров воздействуют на туннельную магниторезистивность, и смогла подтвердить экспериментальные данные.

«Эти виды сложных оксидных гетероструктур, которые мы исследовали, могут играть важную роль в будущем спинтроники», - отметил Валенсия. Результаты, уже опубликованные в Nature Communications, объясняют важный процесс, который до сих пор не принимался во внимание, и, следовательно, они помогут в разработке туннельных барьеров с заданными свойствами.

Изоляционный LFO-слой в нормальном состоянии является антиферромагнетиком (АФМ) и не обладает ферромагнитными доменами. Из-за близости к ферромагнитному слою LSMO на границе образуются ферромагнитные домены (белые стрелки), ориентированные в направлении, противоположном намагниченности слоя LSMO