Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время очень активно изучаются физические свойства наноструктур. Наноструктурами называются объекты, имеющие хотя бы один характерный размер порядка нанометра (например мультислои, цепочки атомов, квантовые точки, молекулярные кластеры). Свойства наноструктур имеют мезоскопический характер. Мезоскопический характер наноструктур проявляется в том, что, с одной стороны, их размер достаточно мал для сохранения эффектов квантовой когерентности, а с другой стороны, достаточно большой, чтобы проявились свойства статистической механики. Следует также отметить сильное влияние поверхности на физические свойства наноструктур.
Может ли мезоскопичность наноструктур приводить к новым физическим эффектам, которые не характерны ни для макроскопических, ни для микроскопических объектов? Да, может. Исследованию таких явлений и посвящена данная работа. Но число таких явлений очень велико, поэтому круг рассматриваемых задач ограничен изучением индуцированных внешним магнитным полем переходов в магнитных наноструктурах. Индуцированные полем переходы представляют большой интерес для физики магнитных явлений как способ управления состоянием магнитной системы и как средство диагностики ее свойств.
В настоящее время различные типы магнитных наноструктур, такие как магнитные сверхрешетки и магнитные молекулярные нанокласте-ры являются объектом интенсивных исследований. Громадный интерес к данным объектам объясняется двумя важными факторами. С одной стороны, эти материалы представляют большой интерес для фундаментальной науки своими уникальными физическими свойствами. С другой стороны, из-за широких перспектив их практического использования в устройствах обработки информации их изучение очень важно с точки зрения прикладной науки.
Простейшим примером магнитных наноструктур являются магнитные мультислои и сверхрешетки, которые представляют собой многослойную систему из магнитных слоев, чередующихся с немагнитными слоями прослойки. Магнитные моменты в соседних магнитных слоях связаны РККИ обменным взаимодействием через немагнитные слои прослойки. Система из идентичных магнитных слоев, связанных антиферромагнитным обменным взаимодействием через прослойку, родственна, в определенном
смысле, двухлодрешеточным антиферромагнетикам. В отличие от обычных антиферромагнетиков, в которых имеет место четкая иерархия энергетических масштабов J » к » h, где J — обменная энергия, к — энергия анизотропии, h — энергия Зеемана, в магнитных многослойных структурах все эти величины одного порядка. В результате фазовая диаграмма в данных материалах имеет существенно более сложный вид, чем в "обычных" магнитных материалах. Это приводит к появлению новых эффектов. Например, величина критического поля для индуцированных полем переходов в магнитных мультислоях зависит от числа магнитных слоев, в магнитных мультислоях удается наблюдать поверхностный спин-флоп переход и др. Большая величина биквадратичного взаимодействия между слоями вносит дополнительные усложнения в фазовую диаграмму. По-видимому, магнитные мультислои являются уникальной магнитной системой, поведение которой в приближении среднего поля можно описать как цепочку классических спинов, связанных обменным взаимодействием. Исследованию таких систем посвящена вторая глава диссертации.
Наличие полей размагничивания может приводить к нарушению однородного распределения намагниченности в плоскости магнитных слоев из-за возникновения доменной структуры. Наличие обменного взаимодействия между слоями приводит к существенному усложнению доменной структуры и структуры доменных границ в магнитных мультислоях. В частности, возможно существование доменных границ новых типов, аналогов которым нет в обычных магнитных материалах. Динамика доменных границ в магнитоупорядоченных материалах имеет существенно нелинейный характер, и исследование особенностей динамики доменных границ в магнитных мультислоях представляет интерес для изучения процессов перемагничивания в магнитных мультислоях. Исследованию всех этих вопросов посвящена третья глава диссертации.
Магнитные молекулярные нанокластеры — молекулярные кристаллы, содержащие ионы редкоземельных и переходных металлов. Каждая молекула содержит несколько десятков обладающих ненулевым спином ионов редкоземельных или переходных металлов (обычно от 10 до 20), которые связаны между собой сильным обменным взаимодействием. Таким образом, молекулярные магнитные нанокластеры занимают промежуточное положение между микроскопическими магнитными объектами (отдельные магнитные ионы) и макроскопическими магнитными материалами,
содержащими большое число взаимодействующих между собой магнитных ионов. Это принципиально новый класс магнитных материалов, который вызывает большой интерес в связи с исследованиями макроскопической квантовой когерентности, макроскопического квантового тунне-лирования, магнитокалорического эффекта и др. Кроме того, эти материалы вызывают большой интерес из-за очень заманчивых перспектив их [фактического использования в магнитных запоминающих устройствах с большой плотностью записи информации, квантовых компьютерах и других устройствах обработки информации. В подавляющем большинстве работ, посвященных исследованию магнитных молекулярных нано-кластеров, их поведение описывается в мультиплетном приближении, когда внутренняя спиновая структура не принимается во внимание. Однако важность учета спиновой структуры ядра магнитного молекулярного нанокластера отмечается в ряде экспериментальных и теоретических работ. Поэтому вопрос о величине и характере обменных взаимодействий между магнитными ионами внутри молекулы представляет большой интерес, но в настоящее время в этом вопросе нет полной ясности. Энергия взаимодействия между магнитными ионами внутри нанокластера составляет порядка 102 К. Энергия магнитного взаимодействия между молекулярными нанокластерами менее 0.1 К. Следовательно, кристалл, составленный из молекулярных магнитных нанокластеров, можно рассматривать как ансамбль невзаимодействующих мезоскопических магнетиков. В нулевом внешнем магнитном поле основное состояние нанокластера имеет ферримагнитную структуру. С ростом внешнего магнитного поля происходит переход от ферримагнитного состояния к ферромагнитному через ряд скачкообразных изменений полного спина магнитной молекулы, когда энергия Зеемана превышает обменную. Этим скачкам магнитного момента молекулярного нанокластера соответствуют пики на кривой зависимости магнитной восприимчивости от внешнего магнитного поля, что позволяет напрямую определить величину обменных взаимодействий между магнитными ионами. На этом, казалось бы, простом пути есть ряд серьезных трудностей. Даже для магнитных молекулярных нанокластеров, содержащих небольшое число магнитных ионов (~10), размерность гильбертова подпространства спиновой подсистемы может составлять до 108. Вычисление собственных значений матриц такой большой размерности - это серьезная проблема даже для современной вычислительной техники. Четвертая глава посвящена расчету энергии и спино-
вой структуры основного состояния магнитных молекулярных нанокла-стеров. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными позволяет определить константы обменного взаимодействия между магнитными ионами.
Впервые возможность существования точки компенсации, т.е. температуры, при которой спонтанная намагниченность ферримагнетика изменяет знак, отметил Неель в 1948 г. Но только в 1999 г. был получен и исследован четырехподрешеточный ферримагнетик с двумя точками компенсации на основе аналогов берлинской лазури. Проектирование новых типов магнитных материалов, когда в качестве "строительных блоков" используются молекулярные магнетики, является одним из наиболее перспективных направлений развития физики магнитных материалов. Аналоги берлинской лазури могут служить основой для реализации данной программы. Синтез данных соединений из цианидных блоков позволяет формировать широкий класс соединений типа X<,[Y(CN)6] (где, например, X обозначает ионы Ni, Mn, Fe, Сг, Со, V, Си, Cs, К или их комбинации в различных соотношениях, a Y обозначает ионы Fe, Сг, V, Мп). Столь широкие возможности полного или частичного замещения в данных соединениях одних магнитных ионов другими позволили создать ряд новых магнитных материалов, обладающих весьма необычными свойствами (обратная петля гистерезиса, фотоиндуцированный магнетизм, магнетики с двумя точками компенсации и др.). Одним из наиболее ярких примеров проектирования и затем создания магнитных материалов со свойствами, которые раньше не наблюдались, могут служить аналоги берлинской лазури с двумя точками компенсации. Магнитные свойства аналогов берлинской лазури очень чувствительны к изменению освещенности, температуры и других факторов, что делает их весьма перспективными материалами для различных практических применений. При этом совершенно открытым оставался вопрос о виде Н — Т фазовой диаграммы в таких материалах, особенно важной и сложной становится эта задача при учете анизотропии. Исследованию этих проблем посЕящена пятая глава диссертации. Цель работы:
1. Теоретически исследовать индуцированные внешним магнитным полем переходы в магнитных мультислоях и сверхрешетках. Для этого:
исследовать зависимость величины критического поля от числа слоев для индуцированных полем переходов в магнитных муль-тислоях, когда внешнее магнитное поле параллельно плоскости слоев,
исследовать спин-переориентационные переходы в магнитных мультислоях, когда внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости слоев,
исследовать структуру и динамику доменных границ в магнитных мультислоях.
2. Теоретически исследовать индуцированные сильным магнитным по
лем переходы в магнитных молекулярных нанокластерах. Для этого:
исследовать переходы в мегагауссных полях для магнитных молекулярных нанокластеров Mn^R^, N14M012, Мпіг и V^,
установить микроскопический механизм возникновения негейзенберговского обменного взаимодействия в магнитных молекулярных нанокластерах MngRg и N14M012.
3. Теоретически исследовать индуцированные магнитным полем пере
ходы в магнетиках с двумя точками компенсации на основе аналогов
берлинской лазури. Для этого:
построить Н — Т фазовую диаграмму для магнетиков с двумя точками компенсации без учета анизотропии,
построить Н — Т фазовую диаграмму для магнетиков с двумя точками компенсации с учетом анизотропии при разной ориентации внешнего поля относительно легкой оси (поле направлено вдоль легкой оси и поле направлено перпендикулярно легкой оси).
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработан метод аналитического расчета критических полей для индуцированных полем переходов в магнитных мультислоях при произвольном числе магнитных слоев, основанный на использовании техники конечно-разностных уравнений. Рассчитаны границы устойчивости ферромагнитной и антиферромагнитной фаз и их зависимость от числа магнитных слоев при разной ориентации внешнего магнитного поля в плоскости слоев.
Рассчитаны величины критических полей для спин-переориентационных переходов в магнитных мультислоях, когда внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости слоев, вызывает изменение ориентации намагниченности в плоскости слоев. Показано, что возникновение таких переходов связано с перенормировкой эффективных констант анизотропии и обмена, определяющих ориентацию намагниченности в плоскости слоев. Рассчитаны критические поля для кубической и одноосной анизотропии.
Рассчитана как статическая, так и динамическая структура доменных границ, возникающих при нарушении однофазности магнитных мультислоев. Найдены решения, соответствующие доменным границам, которые не имеют аналогов в обычных магнитных материалах. Выявлены механизмы, определяющие динамические свойства доменных границ в мультислоях. Показано, что в предельных случаях сильной и слабой обменной связи между слоями динамические свойства доменных границ аналогичны динамическим свойствам доменных границ в слабых ферромагнетиках и динамическим свойствам магнитных вихрей (блоховских линий).
Разработаны эффективные методы расчета спиновой структуры и энергии основного состояния магнитных молекулярных нанокласте-ров (как численные, так и аналитические). Рассчитаны величины полей, соответствующих скачкообразным изменениям суммарного спина для магнитных молекулярных нанокластеров МпвРч, Ni4Moi2, Vis, Мпі2- Из сравнения расчетных величин с экспериментальными данными по перемагничиванию магнитных молекулярных нанокластеров в сильных магнитных полях определены величины констант гейзенберговского и негейзенберговского обменного взаимодействия между магнитными ионами в этих нанокластерах.
Установлено, что нужно учитывать негейзенберговское обменное взаимодействие для объяснения свойств магнитных молекулярных нанокластеров МпбРч. N^Mo^. Разработана микроскопическая модель, которая показывает, что причиной возникновения негейзенберговского обменного взаимодействия является кольцевой четырехспи-новый обмен. Предложенная модель позволяет получить хорошее согласие с экспериментальными данными для этих нанокластеров как
в сильных, так и в слабых полях.
6. Исследованы индуцированные магнитным полем переходы в аналогах берлинской лазури с двумя точками компенсации. Рассчитаны зависимости температур компенсации от химического состава. Найдены составы, имеющие две точки компенсации. Для аналогов берлинской лазури с двумя точками компенсации построены Н—Т фазовые диаграммы как без учета анизотропии, так и с учетом анизотропии. Исследованы случаи разной ориентации внешнего поля относительно легкой оси. Показано, что линии фазовых переходов вблизи точек компенсации имеют сложный и немонотонный характер, и незначительное изменение состава может приводить к качественному изменению топологии фазовой диаграммы.
Научная и практическая значимость работы. В диссертации исследованы индуцированные магнитным полем переходы в магнитных наноструктурах и молекулярных магнетиках, обладающих мезоскопическими свойствами. Вследствие мезоскопичности данных структур индуцированные в них магнитным полем переходы обладают рядом особенностей, которые отсутствуют в обычных магнитных материалах. Эти особенности изучены в данной работе. Полученные в диссертации теоретические результаты существенно расширяют и уточняют физические представления об индуцированных магнитным полем переходах в магнитных наноструктурах и молекулярных магнетиках, об их спиновой структуре и обменных взаимодействиях в магнитных молекулярных нанокластерах. Разработанные во время работы над диссертацией оригинальные методы расчетов и алгоритмы имеют самостоятельную ценность и могут служить основой для дальнейших исследований (как фундаментального характера, так и в области практического применения магнитных наноструктур).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Получены точные аналитические выражения величин критических полей для индуцированных полем переходов в магнитных мульти-слоях при произвольном числе магнитных слоев и разной ориентации магнитного поля относительно легкой оси.
Аналитически рассчитаны величины критических полей для пере-ориентационных переходов в магнитных мультислоях, когда внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости сло-
ев, вызывает изменение ориентации намагниченности в плоскости слоев.
Рассчитана статическая и динамическая структура доменных границ в магнитных мультислоях.
Рассчитана спиновая структура и энергия основного состояния магнитных молекулярных нанокластеров МпбРчб, Ni4Moi2, Мпі2, У!5. Рассчитаны положения пиков магнитной восприимчивости для этих магнитных молекулярных нанокластеров в сильных магнитных полях. Путем сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными найдены константы обменного взаимодействия между магнитными ионами в этих магнитных молекулярных нанокластерах.
Рассчитаны константы гейзенберговского и негейзенберговского обменного взаимодействия на основе микроскопической модели. Эти расчеты позволили установить, что причиной возникновения негейзенберговского обменного взаимодействия является кольцевой перескок электронов между четырьмя уровнями.
Рассчитаны величины критических полей для индуцированных полем переходов в аналогах берлинской лазури с двумя точками компенсации при разных значениях температуры. На основе этих расчетов построены Н — Т фазовые диаграммы при разной ориентации внешнего поля относительно легкой оси.
Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на XV Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1996), XVI Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1998), 8гЛ European Magnetic Materials and Application Conference (Киев, 2000), XVII Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (Москва, 2000), Международном научно-практическом семинаре "Капица-IV" (Саров, 2000), Всероссийской научно-технической конференции МИКРО-и НАНОЭЛЕКТРОНИ-КА (Москва, 2001), International Workshop on Modern Problems in the Physics of Surfaces and Interfaces (Ярославль, 2001), Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2002), Девятой международной конференции по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным
экспериментам (Москва-Ст. Петербург, 2002), Первой всероссийской конференции "Высокоспиновые молекулы и молекулярные ферромагнетики" (Черноголовка, 2002), Объединенной научной сессии отделения общей физики и астрономии РАН и Объединенного физического общества Российской Федерации "Магнитные свойства нано- и гетерострук-тур" (Москва, 2002), Международном научно-практическом семинаре "Капица-VI" (Саров, 2003), Third International Conference on Magnetic and Superconducting Materials (MSM'03), Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2005), International Conference on Micro- and Nanoelectronics (Москва, 2005), Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (EASTMAG-2007, Казань), International Conference on Micro-and Nanoelectronics (Москва, 2007), Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2008).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, списка литературы из 365 наименований. Диссертация изложена на 232 страницах, включающих 42 рисунка и 12 таблиц.
