Предвзятость биржи - Exchange bias

Предвзятость биржи или же обменная анизотропия встречается в двухслойных (или многослойных) магнитных материалах, где жесткое поведение намагниченности антиферромагнитный тонкая пленка вызывает сдвиг мягкой кривой намагничивания ферромагнитный фильм. Феномен обменного смещения очень полезен при магнитной записи, где он используется для фиксации состояния головок считывания. жесткий диск ездит именно в точке максимальной чувствительности; отсюда и термин «предвзятость».

Фундаментальная наука

Кривые легкого осевого намагничивания а) мягкой ферромагнитной пленки; б) антиферромагнитная пленка и в) обменно-смещенный бислой, состоящий из ферромагнетика и антиферромагнетика. Восприимчивость (наклон) кривой намагничивания антиферромагнетика для ясности преувеличена.

Существенная физика, лежащая в основе явления, - это обменное взаимодействие между антиферромагнетиком и ферромагнетиком на их границе раздела. Поскольку антиферромагнетики имеют небольшую суммарную намагниченность или ее отсутствие, на ориентацию их спинов внешнее магнитное поле влияет лишь незначительно. У мягкой ферромагнитной пленки, которая сильно обменно связана с антиферромагнетиком, будут закреплены межфазные спины. Изменение момента ферромагнетика будет иметь дополнительные энергетические затраты, соответствующие энергии, необходимой для создания Доменная стена Нееля внутри антиферромагнитной пленки. Дополнительный член энергии означает сдвиг в поле переключения ферромагнетика. Таким образом, кривая намагничивания обменно-смещенной ферромагнитной пленки похожа на кривую нормального ферромагнетика, за исключением того, что она смещена от оси H = 0 на величину H_б.

В наиболее изученных бислоях ферромагнетик / антиферромагнетик Температура Кюри ферромагнетика больше, чем Температура Нееля Т_N антиферромагнетика. Это неравенство означает, что направление обменного смещения может быть задано охлаждением через T_N в присутствии приложенного магнитного поля. Момент магнитоупорядоченного ферромагнетика будет прикладывать эффективное поле к антиферромагнетику по мере его упорядочения, нарушая симметрию и влияя на образование доменов.

Эффект обменного смещения объясняется ферромагнитной однонаправленной анизотропией, образованной на границе раздела между различными магнитными фазами. Обычно процесс полевого охлаждения от более высокой температуры используется для получения ферромагнитной однонаправленной анизотропии в различных системах обменного смещения. В 2011 году было реализовано большое обменное смещение после охлаждения в нулевом поле из немагниченного состояния, которое было приписано вновь образованной границе раздела между различными магнитными фазами во время начального процесса намагничивания.

Обмен анизотропия долгое время оставался малоизученным из-за сложности изучения динамики доменных границ в тонких антиферромагнитных пленках. Наивный подход к проблеме предполагает следующее выражение для энергии на единицу площади:

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}nJ_{ex}S_{F}S_{AF}+M_{F}t_{F}H}$

куда п - число межфазных взаимодействий спинов на единицу площади, Дж_бывший - константа обмена на границе раздела, S - вектор спина, M - намагниченность, t - толщина пленки, H - внешнее поле. Нижний индекс F описывает свойства ферромагнетика и AF антиферромагнетика. Выражение опускается магнитокристаллическая анизотропия, на которую не влияет наличие антиферромагнетика. В поле переключения ферромагнетика энергия пиннинга, представленная первым членом, и дипольная связь Зеемана, представленная вторым членом, будут точно сбалансированы. Затем уравнение предсказывает, что сдвиг обменного смещения H_б будет дано выражением

${\displaystyle H_{b}={\frac {nJ_{ex}S_{F}S_{AF}}{2M_{F}t_{F}}}}$

Многие экспериментальные данные об обменном смещении противоречат этой простой модели. Например, величина измеренного H_б значения обычно в 100 раз меньше, чем предсказывается уравнением для разумных значений параметров. Величина смещения гистерезиса H_б не коррелирует с плотностью п нескомпенсированных спинов в плоскости антиферромагнетика, возникающего на границе раздела. Кроме того, эффект обменного смещения в эпитаксиальных бислоях, как правило, меньше, чем в поликристаллических, что предполагает важную роль дефектов. В последние годы прогресс в фундаментальном понимании был достигнут благодаря синхротрон радиационный элементно-ориентированный магнитный дихроизм эксперименты, которые могут отображать антиферромагнитные домены и частотно-зависимые магнитная восприимчивость измерения, которые могут исследовать динамику. Эксперименты на Fe / FeF₂ и Fe / MnF₂ модельные системы оказались особенно плодотворными.

Технологическое воздействие

Изначально обменное смещение использовалось для стабилизации намагниченности мягких ферромагнитных слоев в головках считывания на основе анизотропной магнитосопротивление (AMR) эффект. Без стабилизации состояние магнитного домена головки может быть непредсказуемым, что приведет к проблемам с надежностью. В настоящее время обменное смещение используется для закрепления более жесткого эталонного слоя в спиновой клапан считывание голов и MRAM схемы памяти, которые используют гигантское магнитосопротивление или же магнитное туннелирование эффект. Точно так же самые современные дисковые носители имеют антиферромагнитную связь, что позволяет использовать межфазный обмен для эффективного повышения стабильности малых магнитных частиц, поведение которых в противном случае было бы нарушено. суперпарамагнитный.

Желательные свойства материала обменного смещения включают высокую Температура Нееля, большой магнитокристаллическая анизотропия и хорошая химическая и структурная совместимость с NiFe и Co, наиболее важными ферромагнитными пленками. Наиболее технологически значимыми материалами обменного смещения были антиферромагнитные оксиды со структурой каменной соли, такие как NiO, CoO и их сплавы, и интерметаллиды со структурой каменной соли, такие как FeMn, NiMn, IrMn и их сплавы.

История

Обменная анизотропия была открыта Мейкледжоном и Бином из General Electric в 1956 году. Первым коммерческим устройством, использующим обменное смещение, было IBM анизотропное магнитосопротивление (AMR) дисковод записывающая головка, который был основан на конструкции Ханта 1970-х годов, но полностью не вытеснил индуктивную считывающую головку до начала 1990-х годов. К середине 1990-х гг. спиновой клапан головка, использующая слой обменного смещения, была на пути к вытеснению головки AMR.

Рекомендации

• Meiklejohn, W. H .; Бин, К. П. (1957-02-03). «Новая магнитная анизотропия». Физический обзор. 105 (3): 904–913. Bibcode:1957ПхРв..105..904М. Дои:10.1103 / PhysRev.105.904.
• С. Чиказуми и С. Х. Чарап, Физика магнетизма, ASIN B0007DODNA.
• Nogués, J .; Иван К. Шуллер (1999-02-15). «Обменный уклон». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 192 (2): 203–232. Bibcode:1999JMMM..192..203N. Дои:10.1016 / S0304-8853 (98) 00266-2.
• А. Э. Берковиц и К. Такано, «Обменная анизотропия: обзор», J. Magn. Magn. Матлс. 200, 552 (1999).
• Джон К. Мэллинсон, Головки магниторезистивных и вращающихся клапанов: основы и применение, ISBN  0-12-466627-2.
• Киви, Мигель (сентябрь 2001 г.). «Теория обменных предубеждений». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 234 (3): 584–595. Bibcode:2001JMMM..234..584K. Дои:10.1016 / S0304-8853 (01) 00421-8. HDL:10533/172470.
• Иван К. Шуллер и Г. Гюнтеродт, "Манифест предвзятости биржи", 2002.
• Юнг-Иль Хонг, Тит Лев, Дэвид Дж. Смит, и Ами Э. Берковиц, «Повышение обменного смещения с помощью разбавленных антиферромагнетиков», Phys. Rev. Lett. 96, 117204 (2006).
• Баомин Ван, Юн Лю, Пэн Рен, Бинь Ся, Кайбин Руан, Цзябао И, Джун Дин, Сяогуан Ли, и Лань Ван, «Большое обменное смещение после охлаждения в нулевом поле из ненамагниченного состояния», Phys. Rev. Lett. 106, 077203 (2011).