Исследование магнитных состояний и спин-зависимых явлений в ферромагнитных наноструктурах

В отчете представлены результаты НИР «Исследование магнитных состояний и спин-зависимых явлений в ферромагнитных наноструктурах», выполняемой в рамках государственного задания Федерального бюджетного научного учреждения Институт прикладной физики Российской академии наук в 2023 г. Цели работы —теоретические и экспериментальные исследования магнитных систем с взаимодействием Дзялошинского-Мория, а также топологических магнитных состояний, возникающих в таких системах, поиск новых возможных методов управления магнитным состоянием данных структур. Исследование возможности реализации топологических (вихревых) состояний в туннельных магнитных контактах (ТМК), исследование радиационной стойкости ТМК. Проведено систематическое экспериментальное исследование магнитных состояний и кристаллической структуры многослойных пленок на основе пары ферромагнетик/тяжёлый металл(Co/Pt) методами оптической магнитометрии, магнитно-силовой микроскопии, лоренцевой и аналитической просвечивающей электронной микроскопии. Показано, что с ростом числа периодов Co/Pt в пленках наблюдается увеличение средних размеров кристаллических зерен, что приводит к увеличению дисперсии перпендикулярной анизотропии и, как следствие, к уменьшению размеров магнитных доменов и полей перемагничивания. Кроме того, в пленках с числом периодов n≥6 доменная стенка становится гибридной, т.е. имеет структуру, промежуточную между стенками неелевского и блоховского типа. Теоретически исследованы композитные структуры ферромагнетик (ФМ)/парамагнетик (ПМ) и ферромагнетик (ФМ)/сверхпроводник (СП). Показано, что в энергии ФМ пленки, находящейся на парамагнитной или сверхпроводящей подложке, появляется вклад, имеющий вид поверхностного взаимодействия Дзялошинского-Мория (ВДМ). Такое эффективное ВДМ возникает в результате магнитостатического взаимодействия между намагниченностью ФМ-пленки и намагниченностью в ПМ- или сверхтоком в СП-подложке. Обнаружено, что только в системе ФМ/ПМ эффективное ВДМ стабилизирует киральные магнитные текстуры, такие как магнитные скирмионы(МС). Высокая температурная чувствительность магнитной восприимчивости подложки в окрестности критической температуры позволяет менять величину взаимодействия и радиус МС, что может быть полезным для приложений. Предложен новый метод создания туннельных магниторезистивных (ТМР) контактов CoFeB/MgO/CoFeB с вихревой магнитной конфигурацией свободного слоя. ТМР контакты изготовлены методами электронной литографии и имеют латеральные размеры ~700nm. Достигнутая величина ТМР эффекта составляет 80-200% для разных образцов. С целью реализации вихревого состояния свободный слой туннельного контакта изготавливается композитным из тонкого текстурированного слоя СоFeB и толстого аморфного слоя СоFeB. Благодаря реализации вихревого состояния и низкой коэрцитивности кривая магнитосопротивления имеет линейный безгистерезиный участок, соответствующий сдвигу вихря из центрального положения. Кроме того, было исследовано влияние радиационного воздействия гамма-квантов и нейтронов на магнитные свойства двуслойных пленок Ta/ФМ/IrMn/Ta, обладающих обменным сдвигом петли гистерезиса и служащих в качестве закрепленного слоя в туннельном контакте. Был обнаружен эффект уширения петли магнитного гистерезиса после радиационного воздействия. Максимальное уширение петли гистерезиса наблюдалось в пленке NiFe/IrMn при облучении нейтронами, в этом случае ширина петли возросла более чем в 2.5 раза. Заметного изменения поля обменного сдвига петель гистерезиса не наблюдалось во всем диапазоне радиационного воздействия. По итогам работы опубликовано 3 статьи в российских и международных рецензируемых научных журналах и получен патент на изобретение.