Граничные эффекты в эпитаксиальных пленках [Pd/Co/CoO]n для применения в современной спин-орбитронике

В физике магнитных явлений в последние несколько лет активно исследуются квантовые эффекты, возникающие на границах раздела ферромагнетиков с немагнитными материалами. Ультратонкие трехслойные системы, типа тяжелый металл/ферромагнетик/оксид, являются фундаментальными компонентами устройств спинтроники за счет возможностей управления перпендикулярной магнитной анизотропией, относительно высокой температуры Кюри, отличной спиновой динамики и совместимости с КМОП-технологиями. Подобные системы дают возможность создания высокоэффективных устройств магнитной логики и энергонезависимой магнитной памяти со сверхвысокой плотностью записи за счет бесполевого управления намагниченностью с помощью электрического тока. Данный проект направлен на детальное исследование основных магнитных параметров, определяющих эффективность устройств магнитной записи и хранения информации, работающих на спин-орбитальных эффектах, среди которых перпендикулярная магнитная анизотропия, взаимодействие Дзялошинского-Мория (ВДМ), а также обменное смещение. Перпендикулярная магнитная анизотропия может быть реализована в ультратонких ферромагнитных пленках, за счет влияния напряжений на границах раздела с тяжелыми металлами. Нарушение инверсионной симметрии на граничных слоях в ферромагнетике, в сочетании с сильным спин-орбитальным взаимодействием в тяжелых металлах приводит к возникновению ВДМ, локализованного на магнитных интерфейсах. Перпендикулярная магнитная анизотропия и ВДМ определяют стабильность спиновых структур, таких как скирмионы и киральные доменные стенки в отсутствие внешнего магнитного поля, позволяют повысить плотность элементов информации, а также скорость перемещения скирмионов под действием импульсов тока. Для создания подобных устройств требуется создать магнитную среду, которая характеризуется высокой эффективностью передачи спинового момента в магнитные слои вследствие спин-зависимого рассеяния электронов в слоях тяжелого металла. Эффекты токоиндуцированной передачи спин-орбитального момента (spin-orbital torque, SOT-эффект) являются наиболее мощным инструментом для управления намагниченностью в подобных системах. SOT-эффект, основанный на объемном спиновом эффекте Холла, а также на интерфейсных эффектах типа эффекта Рашбы, приводит к неравновесному спиновому распределению на границах раздела ферромагнитного и немагнитных слоев. Угловой магнитный момент, индуцированный на интерфейсах передается в объем ферромагнитного слоя посредством обменного взаимодействия. Исследования показывают значительное увеличение эффективности SOT-эффекта за счет оксидирования в различных поликристаллических системах. Использование эпитаксиальных структур позволит существенно увеличить энергию ВДМ. Кроме того, возникновение ВДМ может быть реализовано в ферромагнетике за счет атомов кислорода. Сильное увеличение эффективности SOT в сочетании с ВДМ является очень перспективным средством для переключения намагниченности с гораздо меньшими плотностями неполяризованного тока, что позволит создавать наиболее энергоэффективные устройства для хранения и записи информации. Оксид создается на основе магнитного слоя, путем контролируемого процесса оксидирования. Асимметрия интерфейсов в таких наноструктурах будет устранять компенсацию граничных эффектов, приводящую к уменьшению энергии ВДМ. Появление слоя оксида кобальта, являющегося антиферромагнитным при низких температурах, предполагает возникновение обменного смещения, которое связано с обменным взаимодействием на границе ферромагнетика с антиферромагнетиком и проявляющегося в появлении однонаправленной анизотропии электросопротивления в магниторезистивных структурах. Эффект позволяет обеспечить дополнительную степень свободы для управления процессами проводимости в устройствах спинтроники и спинорбитроники. В рамках проекта предлагается исследовать эффективность передачи спинового момента в эпитаксиальных [Pd/Co/CoO]n мультислойных наноструктурах при различных температурах. Сочетание всех вышеперечисленных эффектов и умение независимо управлять этими параметрами позволит разработать оптимальную технологию создания устройств с заданными функциональными параметрами.