Введение к работе
Диссертационная работа посппіцена теоретическому исследованию процессов макроскопической квантовой когерентности (МКК) и тунпелнрованшг (МКТ) спинов п малых одподоменных антиферромагнитных н слабоферромапштных частицах при учете влияния пнсінініх и внутренних факторов: постоянное магнитное поле, переменное магнитное поле, температура, днсеипативное окружение (фопоны, магноны, ядерные спины и . др.).
Актуальность темы.
Бурное развитие микроэлектроники и компьютерной техники в последние годы идет но нуги уменьшения размеров н повышения быстродействия логических'элементов, осуществляющих храпение, обработку и передачу цифровой информации. Поэтому повышенный интерес исследователей направлен па возможность применения для этих целей наноразмерных магнитных материалов (изолированных одподоменных частиц, пленок и т.д.). Уменьшение характерных размеров магннтоупорядоченных кристаллов и пленок до иапомстропого диапазона приводит к существенному возрастанию роли мезоскопнческих явлений п их физических свойствах. Особенно это касается макроскопических проявлений квантовых свойств спинов при низких температурах (меньше темпераіурьі "кроссовера") в частицах, содержащих 10'-10' злсментарігьіх сшшоп вещества. В таких частицах величина энергетического барьера, удерживающего намагниченность в равновесном состоянии, начинает приближаться к величине кианта пулевых колебаний, превосходя ее не более чем на порядок величины. Теоретическим исследованиям процессов макроскопических спии-орпеитаниониых квантовых явлении в малых частицах сплытоанпзотропных ферро- и антиферромагнетиков в зависимости от магнитных параметров вещества (обменное взаимодействие, магнитная анизотропия), величины и ориентации внешнего магнитного поля, степени взаимодействия спинов с днесипатнвным окружением в последние годы уделяется особенно большое внимание. Эго связано, в свою очередь, и с проводящимися интенсивными экспериментальными исследованиями процессов. МКТ, а также возможностью создания на их основе наноразмерных быстродействующих устройств хранения и обработки цифровой информации, вплоть до создания элементной базы квантового (Фейнмановского) компьютера. Процессы квантового туниелнровпння могут играть для таких устройств как положительную роль, когда сам принцип туннедпровапшг положен в основу работы такого логического элемента, а также и от]) и нательную, т.к. при хранении цифровой информации за счет тупнелиропапня может произойти ее потеря.
Агппферромагпетикн являются весьма перспективными материалами при создании и исследовании квантовых цифровых цепей на базе мезоскопнческих спиновых антиферромагнитпых частиц и пленок, что обусловлено высоким значением скорости туннелнрования по сравнению с другими маинпными частицами, а также возможностью интерференционного подавления туннелнрования магнитным полем. Последнее очень важно дли управлення процессом туннелнрования и частице. При одном значении поля
осуществляется хранение, информации (туииелироваиие запрещено), а при другом происходит ее передача за счет туннелнрования. Температурный интервал, где могут наблюдаться указанные квантовые эффекты, обусловлен температурой "кроссовера", которая равна 1 + 10'к в данном случае и позволяет вести экспериментальные мсследошнил, используя гелиевый крностат.
Важной задачей теории МКТ спиков является учет атиянкя окружающей среды. Взаимодействие макроскопического спила с окружением увеличивает действие и приводит к снижению частоты туннелнрования. Такой механизм слияния окружения на туїшелироваїше макроскопической переменной может приводить не только к разрушению когерентно связанного состояния, но к к дисснпатнвному механизму замораживания МІСТ в зависимости от динамических свойств среды окружения и температуры. Также весьма интересной проблемой является влияние дисенпативного кружение на эффесты интерференции инстантсков.
Динамические Характеристик!! спиной в антиферромагнитных малых частицах, как то комплексная динамическая восприимчивость и вероятность туннелнрования в импульсном магнитном поле, представляют интерес для экспериментального исследования процессов МКК резонансными методами. Эффект переключения спиновой поляризации весьма важен для создания импульсных переключающих устройств на основе наноразмериых магнитных частиц.
К моменту начала диссертационной работы оставались неясными целый ряд вопросов: зависимость частоты туннелированил в антиферромагнитной и слабоферромагнитной малой частице от постоянного магнитного поля; воздействие диссипативной среды оіфуххния на процессы интерференции ампліпуд туннелирсвашш. Также не была рассчитана динамическая восприимчивость елабоферромагниткой частицы н не изучались эффекты квантового туннелирования в переменном (импульсной) магнитном поле.
Все вышесказанное определяет основную мель диссертационной работы:
-
Расчнтать зависимость энергетического расщепления основного состояния (частоты туннелнрования) в аитиферромагшгпюн и
-
слабеферромагнткой наночастице от магнитных параметров вещества и ах величины и ориентации внешнего магнитного поля.
3. Получить динамическую зависимость сохранения исходного
поляризованного состояния со временем для магмнтяоЯ частицы,
взаимодействующей с диссипативным окружением и при учете топологических
Иігтерфереііционньїх зффгктоз, возникающих при туннелирокпшн
макроскопической спиновой переменкой.
-
Рассчитать динамическую восприимчивость к вероятность туннедкрокї.чгія в импульсном поле для слабоферромагинтной части цьь
-
Предложить логический элемент для создания квантового копыотсра на основе наноразмерньк магнитных частиц.
В диссертационной работе получены следующие новые результаты: 1. Рассчитана ВКБ экспонента туннельного расщепления b = AexjA-B) для аіітиферромагнитной частицы в магнитном поле (туннельная экспонента в отсутствие магнитного поля была получена Барбара и Чудновскнм). Наличие
магнитного поля приводит не только к изменению высоты туннельного барьера, но и к интерференции амплитуд перехода вдать нескольких топологически альтернативных траєкторнії, когда частица находится в пеколлииеарпом состоянии слома подрешеток (угловая антиферроматнтная фаза). Независимо or работы Дуана и Гарга предсказано интерференционное подавление туннелирования в угловой аитиферромагнитной фазе. Отличигельнымп особенностями представленных в диссертационной работе результатов являются: - приводится полное выражение для энергетического расщепления основного состояния антиферромагннтной Частицы в магнитном поле с учетом флуктуационного вклада d префактор А (п других работах выражение для префактора А либо не рассчитывалось вовсе, либо приводилась грубая оценка);
- Исследован случай коллиисарной фази антиферромагнетпка э магнитном
поле; . -
- результаты работы справедливы в широкой области магнитных полей вплоть
до поля spin-flip перехода ht (в работе Дуана и Гарга результаты получены в
области малых магнитных полей).
2. Расчитана скорость туннелиропания (энергетическое растепление
основного состояния) слабоферромагнитиой частицы в магнитном паде с
учетом флуктуационного вклада. Разбирается три случая, когда магнитное поле
направлено по одной из трех осей кристаллографической системы' координат.
3. Рассмотрена динамика спинового туннелирования с учетом
диссипзтшшого взаимодействия со средой окружения. Ранее учет' влияния
дисенпативного окружения на МКТ спинов в магнитных папочастішах
сводился к расчету дкесипативней поправки к энергетическому расщеплению
или, другими словами, к расчету перенормировки энергетического барьера
туинелнрозання на основе модели ІСаддеГірьі-Леггетта. Динамика же
туннелирования макроскопической переменной (поведение вероятности
сохранения исходного поляризованного состояния со временем) в
дііссішапшной среде окружения изучалась только для немагнитных систем в
упрощенной модели "двух состояний" Леггетгом, Чакраварти, Дорсесм,
Фишером, Гаргом и Звсргером, причем при- расчетах не принимались во
внимание топологические особенности, свойственные магнитным системам,
приводящие к. интерференции амплитуд туннелирования по топологически
альтернативным траекториям макроскопической переменной. В данной работе
рассчіггавается вероятность сохранения исходного поляризованного состояния
магнитной наночастицы, взаимодействующей с диссипативным окружением и
при учете топологических интерференционных эффектов на основе техники
функционалов влияния Фейнмана-Вернона.
4. Расчитана динамическая восприимчивость слабоферромагнитиой
частицы н вероятность туннелирования в импульсном поле.
Научная и практическая ценность работы.
Представленные результаты теоретического исследования скорости н динамики туннелирования в диссипативной среде для магнитных наночаепш представляют интерес при проведении экспериментального изучения процессов МКТ п больших магнитных полях для слабых ферромагнетиков, где возникает эффект полевой интерференции инстантонов, приводящий к осцилляции
скорости туїшелиросания-по магнитному полю. Подобние исследования ранге ке проводились, т.к. считалось, что магнитное поле препятствует туинглнройашда и уменьшает его скорость. В дейстшгтелыюстн і; сл;іСоферромапгатньіх материалах частота туннелиропашш с угловой фазе, -как ми показали, даже возрастает. Проведенные расчеты с учетом префактора а взаимодействия с скрркенпем дают возможность проводить детальний сравнения теории с экспериментом. С практической точи: зрения полученные результаты моззго использовать при анализа предельных возможностей магнитной записи бинарного типа с нанометровым разрешением, а также для создания элементной базы квантовых (ФеГшмановсчііх) коатьютероа на основе магнитных наиочастнц. Дополнительно показано, что эффект МІСІС в мелкодисперсных антиферро>.шпціти!іх средах можно использовать для адиабатического охлаждения при ссерхшшенх температурах. Полученная динамическая восириішчііЕость слабеферрошгннтной частиц;.! предетавллет праістіїчгсїсуіо ценность для экспериментальных исследований процессов МКІС резонансным-методом. Эффект переключення поляризации п импульсном пате мохена использовать rips: создании логических переключающих устройств. Нами вперше продаган расчет рабочих характеристик логического элемента ''управляемое НЕ" квантових вычислительных цепей для создания бездцесшіатшиіого компьютера на осмосе спш-патярнзокнших магнитных наночастиц. Проведено численное моделирование его дшшшческіа xipiiacpiicniu.
Дпробпнив. работу.
Материалы диссертации докладывались на
- XIV ШКОЛЕ СЕМИНАРЕ "Новые маппгпшг нстериалы
мнкрохтастроники" (Москш 1594), '
F.Mf.'A 9S (6* European Magnetic Tvlateriais anil Applications Conference, VVitn, Austria, September 4-S, 1595),
1-ой ОБЪЕДИНЕННОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО МАГНИТОЭЛЕСТРОНИКЕ (Москва; 1S-23 сентибря.'ШЗ),
ХХШ СЕМИНАРЕ'ПО СПИНОВЫМ БОЯНАМ (Санпг-ПетерЗург, 14-17 мая, 1596),
- XV ВСЕРОССИЙСКОЙ ШКОЛЕ СЕМИНАРЕ "Новіле шгшгшые
материалы микразлекіроишаї" (Мосіша, 18-21 июня, 1936).
По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, списке которых приведен е конце автореферата.
Диссертация состоит из сведения, шести глав, заключения, прнло;ксння и списка литературы ш 73 наименований, изложена на 68 страницах и содераагт 18 рисунков.
