Профилирование магнитных свойств пленок позволило настроить их спин-волновые резонансы

Российские физики продемонстрировали управление спектром собственных магнонных мод в тонких пленках с помощью пространственной модуляции их магнитных свойств. Для этого они методом молекулярно лучевой эпитаксии создавали неоднородный профиль концентрации атомов железа в палладиевой матрице. Изучение спектров магнитного резонанса образцов показало, что теория хорошо описывает спиновые стоячие волны за исключением ситуации, когда магнитные свойства испытывают резкий скачок. Исследование опубликовано в Nanomaterials.

Магноника — это бурно развивающаяся область физики твердого тела, которая изучает генерацию, распространение и взаимодействие спиновых волн. Спиновые волны — или магноны — это определенный тип элементарных возбуждений в кристаллах, который заключается в последовательном отклонении спинов, выстроенных друг за другом, от наиболее выгодного направления.

Магноны были введены физику более 90 лет назад, и сегодня ученые знают о них довольно много. Они строят миниатюрные детекторы спиновых волн, находят их в средах без дальнего магнитного порядка, делают спиновую передачу энергии частью электрического контура, превращают магноны в фононы и многое другое. Актуальна также задача управления свойствами магнонов. Мы уже рассказывали, как это делают, меняя толщину пленки. Другой подход основан на использовании градиентных магнитных материалов — сред со сложным пространственным распределением магнитных примесей. Однако подобные исследования ведутся преимущественно теоретически.

Чтобы закрыть этот пробел Игорь Янилкин (Igor Yanilkin) и его коллеги из Казанского федерального университета, Казанского физико-технического института, Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Московского физико-технического института теоретически и экспериментально исследовали поведение спиновых волн в пленках из сплавов Pd-Fe. Они показали, что, используя различные профили магнитных свойств, можно управлять энергией и распределением собственных спиновых мод в образцах.

Поскольку магноны — это волны, их поведение качественно похоже на поведение электронных или световых волн в соответствующих материалах с неоднородностями. В первом случае неоднородности учитывают введением в волновое уравнение зависящего от координаты потенциала, во втором — показателя преломления. В случае с магнонами также можно ввести эквивалентный потенциал в уравнение Ландау — Лифшица — Гильберта, определяемый намагниченностью насыщения. Этот параметр, в свою очередь, связан с концентрацией магнитных атомов в образце, в данном случае железа в палладиевой матрице. Формируя профиль распределения магнитной примеси, можно конструировать сколь угодно сложную форму потенциала, в минимумах которого будут образовываться спиновые стоячие волны.

Чтобы проверить эту идею, физики синтезировали несколько серий образцов с различными магнитными распределениями. Для этого они использовали метод молекулярно лучевой эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума. Для контроля концентрации осаждаемых атомов железа авторы программировали изменение температуры ячейки испарения железа во время осаждения пленки.

Образцы, изготовленные учеными, были поделены на три группы. В первой из них концентрация железа менялась линейно от 2 атомарных процентов на одном крае до 10 атомарных процентов на другом, но были разные толщины: от 50 до 400 нанометров. Вторая группа образцов представляла собой двух- и трехслойные структуры с резкими скачками концентрации железа (4 и 8 атомарных процентов для бислоев и 2 и 10 атомарных процентов для трислоев) и диапазоном толщин от 20 до 220 нанометров. В третьей группе магнитные свойства описывались распределением Лоренца и одним периодом синуса и косинуса на толщинах от 200 до 400 нанометров.

Физики измеряли спектр магнитного резонанса всех образцов и сопоставляли его с моделированием. Для образцов первой группы было получено хорошее согласие, в то время как положение пиков для второй группы немного отличалось от предсказаний. Авторы связывают это с тем, что использованная модель плохо учитывает скачкообразное изменение магнитных свойств.

В экспериментах с третьей группой также были получены интересные результаты. Так, физики опытным путем подтвердили, что даже в случае с симметричным профилем (лоренцевским), в спектре должны возникать антисимметричные моды. Синусоидальный и косинусоидальный профили продемонстрировали интегральную схожесть намагниченности, однако, как и предсказывала модель, их спектры существенно отличались. «Управление стоячими спиновыми волнами с помощью распределения магнитных свойств похоже на настройку струн гитары», — объясняет в разговоре с N + 1 Амир Гумаров, один из авторов работы. — «Наши исследования позволят расширить инструментарий при проектировании устройств магноники».

Ранее мы рассказывали, как взаимодействие между неоднородностью пленки и размагничивающими полями позволило физикам увидеть генерацию высших магнонных гармоник вплоть до 60-й гармоники.