Интерфейс гетероструктуры: верхняя половина показывает магнитные моменты (все красные) в ферромагнетике, а нижняя половина - магнитные моменты в антиферромагнетике (чередование красного/зеленого). Желтые соединительные линии представляют собой связь моментов ферромагнетика и антиферромагнетика на границе раздела. Благодаря этой связи магнитное возбуждение может передаваться от ферромагнетика к антиферромагнетику.
Фото: Тамара Азеведо, AG Weiler/RPTU

Новые магнитные запоминающие устройства энергоэффективны и надежны. Они основаны на ферромагнетиках с рабочими частотами в гигагерцовом диапазоне. Рабочую частоту можно было бы еще увеличить с помощью антиферромагнетиков, которые, однако, не могут быть эффективно возбуждены.

Исследователи из Кайзерслаутерна и Майнца показали, что магнитные гетероструктуры на основе тонкого двойного слоя антиферромагнетик/ферромагнетик могут сочетать в себе преимущества обоих классов материалов: высокая рабочая частота с эффективным возбуждением. Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters и отмечена как предложение редакции.

Магнитные материалы играют центральную роль в обработке и передаче информации в электронных устройствах. «Мы различаем разные классы магнитов», — говорит профессор доктор Матиас Вейлер, возглавляющий группу прикладных спиновых явлений физического факультета Университета Кайзерслаутерн-Ландау.

«Ферромагнетики имеют общую намагниченность и используются в качестве постоянных магнитов, создающих поле рассеяния. Их легко возбудить. Их динамика находится в гигагерцовом диапазоне».

Второй класс магнитных материалов ведет себя совершенно иначе: антиферромагнетики. «Со стороны вы не можете сказать, что они намагничены. Они не демонстрируют никакого чистого магнитного момента, с которым вы можете взаимодействовать. Это затрудняет их возбуждение», — объясняет доктор философии, студент Хассан Аль-Хамдо, первый автор настоящего исследования.

Однако после возбуждения они демонстрируют гораздо более быструю динамику в терагерцовом диапазоне. Этот факт делает их интересными для различных областей применения, таких как коммуникационные технологии и магнитная память, поскольку скорость обработки может быть значительно увеличена. «Однако, поскольку антиферромагнетики не могут быть эффективно возбуждены, их применение ограничено», — продолжает Вейлер.

Вместе с коллегами из Майнца исследователи из Кайзерслаутерна показали, как можно использовать более быструю динамику антиферромагнетиков. Для своих экспериментов они использовали гибридный материал. «Он состоит из двух тонких слоев, одного ферромагнитного и одного антиферромагнитного», — объясняет Вейлер. Ферромагнитный слой представляет собой обычное соединение никеля и железа, которое также встречается, например, в трансформаторах. Антиферромагнитный слой представляет собой соединение марганца и золота.

Особенность гетероструктуры заключается в расположении спинов непосредственно на границе раздела антиферромагнитный — ферромагнитный. Аль-Хамдо утверждает: «Спин описывает собственный угловой момент квантовой частицы и является основой всех магнитных явлений. На границе раздела мы находим четко определенный порядок спинов.

«Это приводит к необычно сильной связи антиферромагнитных и ферромагнитных спинов. Связь настолько выражена, что спины антиферромагнетика выравниваются в зависимости от намагниченности ферромагнетика. Это свойство уникально».

Гетероструктура была разработана коллегами из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга. Коллеги из Майнца также разработали теоретическую модель для объяснения экспериментальных результатов из Кайзерслаутерна.

«Используя уникальные свойства нашей гетероструктуры, нам удалось передать магнитное возбуждение от ферромагнетика к антиферромагнетику. При этом мы получили более высокую частоту, чем в случае чистого ферромагнетика, антиферромагнетик и ферромагнетик, — говорит Вейлер.

Эти результаты представляют интерес для будущих приложений. «Для новых мобильных приложений потребуются более высокие частоты», — приводит пример Вейлер. «С этой связью мы попадаем в эти области». Областями применения также могут быть технологии памяти, такие как магнитная память с произвольным доступом или генерация микроволн с помощью генераторов с вращающим моментом, где более высокие частоты повысят производительность.