Введение к работе
_1 _
ктуальность темы. Одна из наиболее широких областей применения магнитных ма-риалов и структур, сознаваемых на их основе, — это устройства записи и хранения їформаиии. Стремление к миниатюризации в сочетании с новейшими достижениями то- я микротехнологии привело к тому, что уже в ближайшем будущем в устройствах того рода физический носитель бита информации будет иметь размеры порядка десятое нанометров, т.е., относиться к классу магнитных наноструктур. В более отдаленіїом идущем предполагается использование другого класса магнитных нанообъектов, высо-хпиновых молекул, в качестве магнитных носителей информации, по принципу "од-1 молекула - один бит". При этом уменьшение размера носителя бита информации иеньшает стабильность записи, так как увеличивается вероятность флуктуационного гремагничивания носителя (наночастнцы). Подавить термические флуктуации можно,, энижая температуру. Однако, квантовые флуктуация нельзя подавить таким образом; го приводит к существованию фундаментальных ограничений иа плотность записи ин-ормации в магнитный носитель.
С другой стороны, квантовые эффекты в магнитных наноструктурах важны для прн-эжений другого рода, в частности, для создания спинового квантового компьютера. При )аитовых вычислениях система, эволюционирующая в соответствии с уравнением Шре-шгера, в конце вычислений оказывается в квантовом состоянии, которое соответствует шению поставленной задачи. В силу обратимости уравнения Шредиигера, вычисления ікого рода являются обратимыми, и не сопровождаются диссипацией энергии. Проблема шпактиой упаковки сильнодиссипируюших элементов исчезает, так что степень инте-іации логических элементов в компьютере может быть существенно ловышеиа. Высоко-іиновьіє молекулы являются весьма привлекательной физической основой для создания актовых компьютеров. При этом различные логические функции легко реализуются с >мощью хорошо известных методов воздействия на магнитные системы, а сама эволю-(я квантовой системы является, по сути дела, последовательным перемагничиваиием аличных молекул.
Таким образом, исследование квантовых эффектов приобретает большое значение для
вычислительной техники. Но у этой проблемы есть и другой, фундаментальный, аспек: Развитие квантовой механики привело к возникновению ряда парадоксов (таких, ка парадокс "кота Шредингера"), касающихся соотношения между классическим и ква* товым описанием физических систем. Предсказание, а затем и ^экспериментальное пш твержденис наличия квантовых эффектов на макроуровне (макроскопического квант* вого туннелирования и макроскопической квантовой когерентности) продемонстриро» ло необходимость переосмысления и более тщательного исследования методов описан» физических систем. Широкое исследование подобных эффектов в магнитных системі было начато совсем недавно; новизна этой области И большое значение результатов д/ фундаментальной науки привлекают интерес современных исследователей.
На современном этапе изучения квантовых эффектов разрыв между теоретически), моделями и системами, изучаемыми в эксперименте, весьма велик, и "сближение" теорі и эксперимента является необходимым условием дальнейшею прогресса в этой облает Конечно, детальное теоретическое описание исследуемых систем является делом буд щего, и требует больших усилий многих научных групп. Однако, уже в настоящее вреї есть системы, для которых могут быть построены довольно реалистичные теоретическ модели, описывающие наиболее важные экспериментальные результаты. Это, в перв) очередь, высокоспиновые молекулы (типа МП)}) и уединенные иагнншые наяочастин В процессе изучения этих структур накоплен достаточно большой зкгперимент&льні материал.
С другой стороны, даже те системы, которые уже попадали в поле зрения иселедої телеН, во многих отношениях исследованы недостаточно. Так, туннелированне ломенн границ (ДГ) было изучено для случая ферромагнетиков. Однако, ие менее интереаи является изучение туннелирования ДГ в слабых ферромагнетиках, что іі;>зволяет нес довать влияние существенной нелинейности динамики магнитного соли ища па основи характеристики туннельного процесса. Аналогично, требует исследования вопрос о т. і.ельноИ смене топологического заряда магнитного кинка (такого как вертикальная б ховская линия); этот туннельный процесс обладает весьма нетривиальными свойства
Цель и задачи работы. Цели работы могут быть сформулироваим гледуюц образом: (1) теоретическое описание основных экспериментально -кцнтнетриропаш
— з —
особенностей мезоскопических квантовых эффектов в высокоспииоиых молекулах и уединенных магнитных наночастицах; (2) изучение туннелпрования магнитных соліпонов (доменных границ) в слабом ферромагнетике с учетом принципиальной нелинейности их динамики и исследование туннельной смены топологического заряда магнитного кинка (вертикальной линии Блоха).
В соответствии с вышеописанными целями данной работы, были поставлены следующие конкретные задачи.
-
Построить модель, описывающую наиболее важную экспериментально зарегистрированную особенность — малый туннельный объем при релаксации и уединенной маг-гитной наночастице с прямоугольной петлей гистерезиса.
-
Построить модель, описывающую "размораживание" туннелпрования в одноосной іьісокоспиновой молекуле за счет взаимодействия магнитного момента г днтшатшшымн тепенями свободы.
-
Провести теоретическое описание скачков намагниченности на кривой гистерезиса ысокоспнновых кластеров Мпіг при намагничивании вдоль легкой оси, выяснить зави-имость параметров скачка от скорости изменения внешнего поля.
-
Исследовать процесс намагничивания кластеров Мни перпендикулярно к легкой :и.
-
Изучить процесс туннелпрования доменной границы в слабом ферромагнетике с четом нелинейности динамики границы, проанализировать результаты соответсгвую-их экспериментов.
-
Исследовать процесс туннельной смены топологического заряда вертикальной бло-тской линии в тонкой ферромагнитной пленке.
Научная новизна работы определяется следующими впервые полученными резуль-тами.
1. Впервые показано, что учет поверхностных дефектов позволяет, но крайней ме-
, качественно, описать наиболее важную и необычную экспериментальную особенность
гнитной релаксации в уединенной наночастице - малую нонгшну туннельного обьема
іастице с прямоугольной петлей гистерезиса.
2. Явно продемонстрировано, что в одноосной мапштной молекуле возможно тунце-
— 4 —
лирование за счет взаимодействия спиновых и вибронных степеней свободы.
-
Проведено теоретическое описание скачков намагниченности на кривой гистерезиса кластеров Mni2 и получены аналитические формулы для зависимости высоты скачка от скорости изменения магнитного поля. На основе анализа экспериментальных данных показано, что ширина скачков определяется в основном флуктуирующими магнитными полями, созданными диссипативным окружением.
-
Впервые теоретически исследован процесс намагничивания высокоспиновых одноосных кластеров в случае внешнего поля, направленного перпендикулярно к легкой оси кластера, и предсказано появление пика статической магнитной восприимчивости, обладающего чисто квантовой природой; обоснована возможность экспериментальной регистрации эффекта.
-
Проведено подробное теоретическое исследование и интерпретация экспериментальных данных по квантовому туннелированию доменных границ в слабом ферромагнетике; изучено влияние существенной нелинейности динамики границ на характеристики туннельного процесса.
-
Исследована туннельная смена топологического заряда магнитного кинка — вертикальной блоховской линии.
Практическое значение работы. Новые результаты, изложенные в диссертации, вносят существенный вклад в понимание макро- и мезоскопических квантовых эффектов в магнитных наноструктурах. Созданные теоретические модели позволяют проводит! анализ экспериментальных данных и планировать новые эксперименты.
Кроме того, результаты, касающиеся туннелирования в магнитных наночастицах і высокоспиновых молехулах, могут быть использованы при создании и анализе перспективных устройств записи и хранения информации. Проведенное исследование квантовы; эффектов в высокоспшювых молекулах может применяться при анализе возможных схек реализации спинового квантового компьютера на основе кластеров Мщг-
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждалиа на С Европейской Конференции по магнитным материалам и их приложениям (Вена 1095), 2 Международном Симпозиуме по Металлическим мультислойным структураи
Кембридж, 1995), Научной сессии отделения общей фігзики и астрономии РАН (Москва, 9 ноября 1995), Европейской Конференции "Физика магнетизма 96" (Познань, 1996), IV Школе-Семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1996), Международной конференции по генерации мегагаусспых магнитных полей и родстаен-ын экспериментам (Саров, 1996) в 4! Ежегодной Конференции по магнетизму и магиит-іьім материалам (Атланта, 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, список которых іриведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, четырех лав, заключения к списка цитируемой литературы. Работа изложена на 160 страницах, «держит 27 рисунков. Список цитируемой литературы включает 124 наименования.