Физические принципы создания новых функциональных материалов на основе магнитных наноструктур

В отчете представлены результаты НИР «Физические принципы создания новых функциональных материалов на основе магнитных наноструктур», выполняемой в рамках государственного задания Федерального бюджетного научного учреждения Институт прикладной физики Российской академии наук в 2024 г. Цели работы — развитие технологии создания туннельных магнитных контактов с целью создания спин-трансферных наноосцилляторов (СТНО), исследование влияния магнитного поля, которое создает ток текущий через СТНО с викревым распределением намагниченности на его частотные свойства, исследование магнитных вихревыми состояний в массивах обменно-связанных магнитных частиц методами магнито-силовой (МСМ) и Лоренцевой (ЛПЭМ) микроскопии и возможности управления киральностью магнитных вихрей в таких структурах, развитие методов МСМ и ЛПЭМ для исследования магнитных скирмионов в магнитных пленках и для оптимизации параметров микромагнитов, используемых для создания полупроводниковых квантовых процессоров. Отработана технология изготовления туннельных магниторезистивных (ТМР) контактов на основе слоев CoFeB/MgO/CoFeB с характерными латеральными размерами от 200 до 700 нм с использованием комбинации электронных резистов HSQ/ПММА. Для исследования процессов перемагничивания в полученных образцах были проведены измерения кривых магнетосопротивления. Показано, что в зависимости от структуры магниточувствительного слоя и геометрических параметров ТМР контактов реализуются элементы как с вихревым, так и c квазиоднородным распределением намагниченности свободного слоя. При этом в последних ширина фронта перемагничивания составляет от 2 до 6 Э. Отработанная технология может быть использована для создания бистабильных ячеек магнитной памяти и СТНО с вихревым распределением намагниченности. Выполнено микромагнитное моделирования гиротропных автоколебаний вихревых СТНO с учетом магнитного поля, создаваемого током накачки. Исследованы зависимости радиуса орбиты ядра, резонансной частоты и скорости гирации магнитного вихря от плотности тока накачки при различных значениях отношения толщины стека СТНО к его диаметру. Показано, что параметры гирации существенно зависят от взаимного направления вихревого магнитного поля и направления спиральности намагниченности в оболочке магнитного вихря. Определены возможные условия фазовой синхронизации магнитостатически связанных цепочек СТНО. Проведено экспериментальные исследования методами магнито-силовой и Лоренцевой просвечивающей микроскопией, а также микромагнитного моделирование вихревых магнитных состояний в одномерном массиве в виде цепочки ферромагнитных дисков, сопряженных с ферромагнитной нанопроволокой. Показано, что в данной системе возможно управление киральностью оболочек магнитных вихрей при намагничивании в плоскости образца. При намагничивании вдоль нанопроволокив дисках, расположенных по разные стороны от нанопроволоки, реализуются вихревые состояния с противоположной киральностью. При намагничивании в направлении поперек нанопроволоки во всех дисках реализуются состояния с одинаковой киральностью. Методами магнито-силовой и Лоренцевой микроскопии выполнено исследование неоднородных состояний в многослойных пленках Co/Pd, полученных методами лазерного распыления. Обнаружено формирование топологических магнитных состояний — магнитных скирмионов, а также 360° доменных стенок, скирмиониумов и их комбинаций. Обнаружено, что тип и плотность микромагнитных особенностей зависят от толщины бислоя Co/Pd. Эффект связан с особенностями интерфейсных магнитных взаимодействий в образцах с сильно смешанными интерфейсами. Выполнены экспериментальные измерения и численные расчеты неоднородного магнитого поля, создаваемого микромагнитами, предназначенных для создания кремниевых кубитов на основе гетероструктур Si/SiGe с квантовыми точками, формируемыми электрическими затворами. Измерения проводились методом оптической магнитометрии и магнитно-силовой микроскопии. Показано, что геометрия микромагнита в виде двух последовательных микрополосок соединенных боковой перемычкой обеспечивает градиенты магнитного поля, необходимые для реализации электрического дипольного спинового резонанса в одной или нескольких квантовых точках, если они распложены в зазоре магнита, и подходит для управления состоянием кубитов на основе квантовых точек. По итогам работы опубликовано 5 статей в российских и международных рецензируемых научных журналах.