Межслойное обменное взаимодействие в многослойных магнитных системах Fe/Cr/Fe (Обзор)

Abstract

Бурный всплеск интереса к исследованию многослойных магнитных структур начался в середине 80-х годов ХХ века и был связан с существенным прогрессом в технологии получения сверхтонких металлических пленок. В течение нескольких лет в этих структурах были обнаружены крайне интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения явления: антипараллельное упорядочение ферромагнитных слоев, гигантское магнитосопротивление, знакопеременные осцилляции межслойного обмена, неколлинеарное межслойное упорядочение магнитных моментов. Все это, а также близость используемых для получения образцов технологий к традиционно применяемым в микроэлектронике, сулило огромные перспективы для развития компактных датчиков магнитного поля, энергонезависимой памяти для электронных устройств и т.п. На сегодняшний день некоторые из этих возможностей уже реализованы в массовых коммерческих изделиях (например, считывающие головки жестких дисков), а другие еще дут своего часа. Признанием важности сделанных в данной области открытий можно считать Нобелев скую премию 2007 года, которая была присуждена А. Ферту и П. Грюнбергу с формулировкой «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления». Особое место в этих работах занимала система Fe/Cr/Fe. Именно в ней впервые наблюдались практически все наиболее интересные явления, вызвавшие настоящий бум в физике магнитных пленок. Тем не менее природа обменного взаимодействия в этой системе до недавних пор вызывала большие споры. В первую очередь, это было связано со сложной фазовой диаграммой хромовой прослойки и сильным влиянием на свойства образца технологического совершенства изучаемой структуры. Дан краткий обзор основных экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению многослойных систем Fe/Cr/Fe, а также изложены результаты собственных исследований авторов (проведенных с группой соавторов), которые в значительной степени проясняют вопрос о механизме межслойного взаимодействия в указанной системе.

Бурхливий сплеск інтересу до дослідження багатошарових магнітних структур почався у середині 80-х років ХХ століття і був пов'язаний з істотним прогресом в технології отримання надтонких металевих плівок. Впродовж декількох років в цих структурах було виявлено украй цікаві як з фундаментальної, так і з прикладної точки зору явища: антипаралельне впорядкування феромагнітних шарів, гігантський магнітоопір, знакозмінні осциляції міжшарового обміну, неколінеарне міжшарове впорядкування магнітних моментів. Усе це, а також близькість технологій, які використовуються для отримання зразків, до традиційно вживаємих в мікроелектроніці, обіцяло величезні перспективи для розвитку компактних датчиків магнітного поля, енергонезалежній пам'яті для електронних пристроїв і тому подібне. На сьогодні деякі з цих можливостей вже реалізовано в масових комерційних виробах (наприклад, прочитуючі голівки жорстких дисків), а інші ще чекають свого часу. Визнанням важливості зроблених в цій області відкриттів можна вважати Нобелівську премію 2007 року, яку було присуджено А. Ферту і П. Грюнбергу з формулюванням «за відкриття ефекту гігантського магнітоопору». Особливе місце в цих роботах займала система Fe/Cr/Fe. Саме в ній уперше спостерігалися практично усі найцікавіші явища, що викликали справжній бум у фізиці магнітних плівок. Проте природа обмінної взаємодії в цій системі до недавніх пір викликала великі спори. В першу чергу, це було пов’язано із складною фазовою діаграмою хромового прошарку та сильним впливом на властивості зразка технологічної досконалостіструктури, що вивчалася. Надано короткий огляд основних експериментальних та теоретичних робіт, які присвячено вивченню багатошарових систем Fe/Cr/Fe, а також викладено результати власних досліджень авторів (що проведено з групою співавторів), які значною мірою прояснюють питання про механізм міжшарової взаємодії у вказаній системі.

Great interest to of multilayer magnetic structures since the middle 80s of the 20th century has been originated by a pronounced progress in production of superthin metallic films. For some years their fascinating (from fundamental and applied standpoints) properties, such as antiparallel ordering of ferromagnetic layers, giant magnetoresistance, sign-changing oscillations of interlayer exchange, non-collinear interlayer ordering of magnetic moments, have been observed. Along with the attractive similarity of their technology to the one commonly used in microelectronics, these materials are very promising for future development of miniature sensors of magnetic field, nonvolatile memory of electronic devices and so on. As of now, some of them has been realized in large-scale commercial products, such as read-heads of hard disks, while others are waiting their time. The discovery in this field was acknowledged by the Nobel Prize (2007), conferred to A. Fert and P. Grünberg “for discovery of giantmagnetoresistivity effect”. The system Fe/Cr/Fe occupied a special place in those studies. It is this system that exibited for the first time the most interesting phenomena, which have generated an explosion in physics of magnetic films. Nevertheless the nature of exchange interactions in this system remained under debate. This was primarily relevant to the complex phase diagram of a chromium spacer and the crucial dependence of sample properties on technologyrelated perfection of its structure. The paper briefly reports the main experimental and theoretical studies of the multilayer Fe/Cr/Fe systems and present the results by the authors which elucidate the mechanism responsible for interlayer coupling in this system.