Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ТРАНСПОРТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В МАГНИТНЫХ НАНОСТРУКТУРАХ 12
1.1. Основные понятия 12
1.1.1. Эффекты магнитосопротивления 12
1.1.2. Основы теории спин-зависимого транспорта 17
1.2. Сопротивление доменной стенки в наноструктурах 22
1.2.1. Анизотропное магнитосопротивление 22
1.2.2. Отражение зарядов от доменной стенки как потенциального барьера 23
1.2.3. Спин-зависимое рассеяние на примесях 23
1.2.4. Спиновая аккумуляция 26
1.2.5. Слабая локализация 26
1.2.6. Баллистическое магнитосопротивление 27
1.3. Переключение многослойных магнитных структур спин-поляризованным током 28
1.3.1. Модель переноса спина 29
1.3.2. Механизмы передачи поперечной компоненты спинового тока 31
1.3.3. Расчет вращающего момента 33
1.3.4. Влияние продольной компоненты спинового тока 34
1.3.5. Эксперименты по перемагничиванию током 35
1.4. Индуцированное током движение доменных стенок 36
1.4.1. Сила, вызванная эффектом Холла 37
1.4.2. Передача импульса от тока к стенке 38
1.4.3. Адиабатический вращающий момент 39
1.4.4. Неадиабатический вращающий момент 40
1.4.5. Изменение структуры доменной стенки 41
1.4.6. Другие модели 41
ГЛАВА II. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СТРУКТУРЫ НАНООБЪЕКТОВ 43
II.1. Уравнение динамики магнитного момента 43
Н.1.1. Термодинамические соотношения 43
II. 1.2. Эффективное поле. Уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта 44
Н.2. Расчет эффективного поля 46
П.2.1. Обменная энергия 46
П.2.2. Энергия анизотропии 47
П.2.3. Магнитостатическая энергия 48
П.2.4. Эффективное поле 49
II.3. Микромагнитный пакет SpinPM 50
ГЛАВА III. МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ ПЛАНАРНЫХ НАНОСТРУКТУР 52
Ш.1. Магнитная структура и процессы перемагничнвання планарного магнитного напоконтакта в форме наномостика 52
III. 1.1. Введение 52
Ш.1.2. Микромагнитный анализ задачи 53
III.1.3. Энергия наномостика 57
III. 1.4. Модельное описание фазовой диаграммы 61
III.1.5. Механизм фазовых превращений в магнитном наномостике 65
III.1.6. Изменение фазовой диаграммы наномостика при вариации параметров системы 66
Ш.1.7. Выводы 67
III.2. Роль дефектов в процессах перемагничнвання планарных манганитных наноустройств 68
Ш.2.1. Введение 68
Ш.2.2. Манганита. LSMO 69
Ш.2.3. Сопротивление доменной стенки в LSMO 70
Ш.2.4. Сопротивление и структура доменной стекни в LSMO 73
Ш.2.5. Предварительные результаты микромагнитного анализа. Постановка задачи 74
Ш.2.6. Моделирование дефектов 75
Ш.2.6.0 влиянии дефектов различного типа на процесс перемагничивания наноконтакта 77
Ш.2.7. Модель переключения устройства 79
Ш.2.8. Выводы 83
ГЛАВА IV. ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА И СПИНОВАЯ АККУМУЛЯЦИЯ В МАГНИТНОМ НАНОМОСТИКЕ 85
IV. 1. Спиновая аккумуляция и сопротивление доменной стенки в магнитной нанопроволоке 85
IV.2. Транспортная задача в наномостике: модель спиновой аккумуляции 88
IV.2.1. Связь между сопротивлением доменной стенки и спиновой аккумуляцией в наномостике 88
IV.2.2. Распределение спиновой аккумуляции в наномостике 90
1V.2.3. Сопротивление наномостика: доменная стенка посредине перемычки 93
IV.2.4. Зависимость сопротивления доменной стенки от положения внутри перемычки 95
IV.2.5. Частотная зависимость сопротивления доменной стенки 96
IV.2.6. Практические применения магнитных наномостиков 97
ГЛАВА V. ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ НАНОСТРУКТУР СПИН-ПОЛЯРИЗОВАННЫМ
ТОКОМ 99
V.I. Индуцированное током движение доменной стенки в спин-вентилыюй структуре: влияние продольной компоненты спиновой аккумуляции. Модель стонеровского ферромагнетика 100
V.1.1, Постановка задачи 101
V.I.2. Изменение плотности свободной энергии при наличии спиновой аккумуляции 102
V.I.3. Давление на доменную стенку 104
V. 1.4. Обсуждение 107
V.2. Индуцированное током движение доменной стенки в спин-вентилыюй структуре: влияние
поперечной компоненты спиновой аккумуляции 108
V.2.I. Моделируемая система 108
V.2.2. Результаты моделирования 110
V.2.3. Обсуждение 113
V.3. Индуцированное током движение доменной стенки в нанопроволоке эллиптического сечения 114
V.3.I. Постановка задачи и основные уравнения 114
V.3.2. Уравнения динамики на решении в виде плоской волны 115
V.3.3. Решение уравнений динамики 117
ВЫВОДЫ 121
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А. Роль дефектов в процессах перемагничивания однослойных и двухслойных обменно-связанных систем 122
АЛ. Введение 122
А.2. Исследование однослойной пленки SmCo 124
А.З. Моделирование обменно-связанных двухслойных магнитов SmCo/Fe 127
А.4. Выводы 129
Приложение Б. Вид функционала, соответствующего уравнению спиновой диффузии (IV.9) 130
Приложение В. Устойчивость решения транспортной задачи в паномостике относительно вариации параметров 131
Приложение Г. Плотность свободной энергии ферромагнетика с произвольным законом дисперсии. 132
Приложение Д. Решение задачи спиновой аккумуляции в спиновом вентиле с доменной стенкой 133
Приложение Б. Фазовые диаграммы наномостика для реальных систем 135
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 138
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 146
- Основы теории спин-зависимого транспорта
- Уравнение динамики магнитного момента
- Магнитная структура и процессы перемагничнвання планарного магнитного напоконтакта в форме наномостика
- Спиновая аккумуляция и сопротивление доменной стенки в магнитной нанопроволоке
- Индуцированное током движение доменной стенки в спин-вентилыюй структуре: влияние продольной компоненты спиновой аккумуляции. Модель стонеровского ферромагнетика
Введение к работе
Актуальность темы. Нанотехнология - это довольно новая, но чрезвычайно динамично развивающаяся область знаний, основным интересом которой является манипуляция материалами, структурами и процессами на нанометровой шкале длин. Как ожидается, развитие нанотехнологии позволит сделать прорыв в целом ряде общественно значимых областей, в том числе в материаловедении, информационных и коммуникационных технологиях, биомедицине и технологиях, связанных с экологией. Предполагается, что ее воздействие на технологию и общество в целом по своим масштабам будет сравнимо с новой промышленной революцией.
Наномагнетизм является частью нанотехнологии и имеет дело с магнитными явлениями на нанометровых расстояниях. Значительная часть исследований в рамках наномагнетизма посвящена изучению транспортных свойств магнитных нанообъектов. Наибольший интерес привлекли к себе так называемые эффекты магнитосопротивления, которые состоят в изменении сопротивления объекта под действием магнитного поля. В настоящее время эти эффекты уже активно используются в промышленности при создании сенсоров магнитного поля; к примеру, датчики на основе гигантского магнитосопротавления применяются с 1997 года в качестве считывающих головок в жестких дисках. Еще одним перспективным приложением эффектов магнитосопротивления является магнитная оперативная память MRAM. Бит информации в ячейке MRAM содержится в виде направления намагниченности одного из слоев магнитной многослойной структуры; считывание производится путем измерения сопротивления структуры. Большую часть эффектов магнитосопротивления можно охарактеризовать как локальное воздействие магнитной структуры на электрический ток. Не так давно был предсказан и обнаружен обратный эффект - локальное воздействие поляризованного по спину тока на магнитную структуру. Это воздействие имеет квантовую природу; одним из механизмов, лежащих в его основе, является передача неравновесного момента количества движения от тока к решетке. Данный эффект имеет большое фундаментальное значение: до недавнего времени считалось, что единственным способом переключения магнитной структуры является действие магнитного поля. Он также является чрезвычайно перспективным для приложений. Ожидается, что данный эффект будет использоваться для переключения магнитного состояния в ячейках MRAM; это позволит значительно упростить конструкцию памяти.
Последнее время появилось особенно много работ, посвященных изучению наноразмерных систем с доменными стенками (ДС). Это вызвано несколькими факторами.
ДС имеют высокую подвижность и могут быть довольно легко созданы или уничтожены. Они представляют собой логическую единицу или могут являться разделителем между логическими состояниями, представленными направлением намагниченности в непрерывной магнитной среде. ДС обладают заметным сопротивлением; в ряде теоретических и экспериментальных работ было показано, что сопротивление ДС может значительно увеличиться, если она «заперта» в объеме размера порядка десятков нанометров. В свою очередь, оказалось, что ток может привести к движению ДС. Данные эффекты делают наноразмерные устройства с ДС чрезвычайно перспективными как с фундаментальной точки зрения, так и для приложений; так, недавно появилось несколько многообещающих предложений по созданию магнитной памяти и логических элементов, существенно основанных на манипуляциях с ДС. С другой стороны, поскольку в любых магнитных наноустройствах присутствуют неоднородности распределения намагниченности (например, вызванные краевыми эффектами), то отсюда следует, что наличие таких неоднородностей может привести к появлению новых эффектов, которые необходимо учитывать.
Несмотря на большое количество работ, посвященных данной проблематике, остается еще много белых пятен и необходимо создание новых подходов и техник. Важной является задача определения магнитной структуры нанообъектов, нахождения устойчивых состояний для доменной стенки в наноконтактах различной формы, расчета процессов перемагничивания. В последних определяющую роль начинают играть дефекты, вызванные как неидеальностью геометрии наноструктур, так и разбросом от точки к точке физических параметров материала; учет этих дефектов становится необходимым для получения адекватного описания поведения реальных систем. В ряде экспериментов было показано, что сопротивление доменной стенки в нанобластях может описываться в рамках модели спиновой аккумуляции. Последняя имеет нелокальную природу, однако возможное влияние этой нелокальности на резистивные свойства наноконтактов до сих пор нигде не обсуждалось. Как было показано в ряде работ, перемагничивание спин-вентильных структур током происходит с образованием доменной структуры, однако задача индуцированного током движения доменных стенок в таких системах остается не до конца выясненной. Не выявлены возможные аналитические решения для предложенных недавно уравнений индуцированного током движения доменной стенки (например, в случае, когда ДС находится в магнитной нанопроволоке, нанокольце и др.).
Данная диссертация посвящена рассмотрению этих вопросов.
Целью настоящей диссертационной работы является изучение обозначенного выше круга проблем теории магнитных свойств, процессов перемагничивания и взаимного
влияния магнитной структуры и электрического тока в магнитных наноструктурах,
содержащих доменные границы.
В частности, в диссертации были решены следующие конкретные задачи:
исследование устойчивых магнитных состояний наноразмерного контакта в форме наномостика, содержащего доменную стенку;
характеризация структурных дефектов и анализ их влияния на процесс перемагничивания плоского магнитного наноконтакта, изготовленного на пленке магнитного оксида Ьаг/зЗгі/зМпОз, на основе экспериментальных данных по мапштосопротивлению данного устройства;
расчет сопротивления доменной стенки для различных ее положений внутри контакта в виде наномостика в рамках модели спиновой аккумуляции для различных параметров системы;
исследование индуцированного током движения доменной стенки в свободном слое спин-вентильной структуры при токе, текущем перпендикулярно слоям структуры;
исследование индуцированного током движения доменной стенки в цилиндрической магнитной нанопроволоке эллиптического сечения.
При решении подобных задач одним из основных инструментов является численное моделирование. В первую очередь это относится к расчету магнитной структуры нанообъектов: данная задача требует самосогласованного решения нелинейных дифференциальных уравнений для всех элементарных объемов, на которое разбивается тело, и очень редко допускает аналитическое решение. Полномасштабное моделирование необходимо также для расчета процессов перемагничивания полем, в особенности при учете влияния на него дефектной структуры, для исследования процессов перемагничивания электрическим током и других связанных эффектов. В то же время для многих эффектов, имеющих место в наноустройствах, необходимо выяснить их физический механизм; в этом случае необходимо создание новых аналитических подходов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые детально исследованы устойчивые магнитные состояния наноразмерного контакта в форме наномостика, содержащего доменную стенку, получено аналитическое описание механизма образования различных устойчивых состояний для доменной стенки.
Впервые проведена характеризация структурных дефектов и анализ их влияния на процесс перемагничивания плоского магнитного наноконтакта, изготовленного на
пленке магнитного оксида Ьа2/38гі/зМпОз, на основе экспериментальных данных по магнитосопротивлению данного устройства. Показано, что данные структурные дефекты были внесены в систему при процессе литографии, и, таким образом, они будут образовываться в других схожих системах - наноустройствах, изготовленных методом литографии на пленках магнитных оксидов.
Впервые в рамках модели спиновой аккумуляции проведен расчет сопротивления доменной стенки для различных ее положений внутри контакта в виде наномостика для различных параметров системы.
Впервые проведено комплексное исследование индуцированного током движения доменной стенки в свободном слое спин-вентильной структуры при токе, текущем перпендикулярно слоям структуры, с учетом взаимодействия продольной (в рамках модели зонного ферромагнетизма) и поперечной (в рамках модели переноса спина) составляющих поляризации инжектируемого тока с намагниченностью слоя.
Впервые проведено исследование индуцированного током движения доменной стенки в цилиндрической магнитной нанопроволоке эллиптического сечения.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Фазовые диаграммы устойчивых магнитных состояний для доменной стенки внутри канала плоского наноразмерного контакта в форме наномостика для различных параметров материалов и геометрий. Аналитическое описание механизмов образования устойчивых состояний магнитной структуры.
Описание влияния дефектов различного типа на процесс перемагничивания плоского магнитного наноконтакта, изготовленного на пленке магнитного оксида Ьа2/з8гі/зМпОз. Параметры структурных дефектов и картина перемагничивания данного устройства, восстановленные из экспериментальных данных по его магнитосопротивлению.
Зависимости сопротивления доменной стенки, расположенной внутри контакта в виде наномостика, от положения доменной стенки и различных параметров системы, полученные в рамках модели спиновой аккумуляции.
Зависимости динамических параметров (давления на доменную стенку, ее смещения и скорости) от физических параметров системы и времени, описывающие индуцированное током движение доменной стенки, расположенной в свободном слое спин-вентильной структуры, при токе, текущем перпендикулярно слоям структуры.
Уравнения, описывающие установившееся движение доменной стенки, расположенной в цилиндрической магнитной нанопроволоке сечения, при воздействии на доменную стенку внешнего магнитного поля и тока (в рамках модели переноса спина).
Практическая значимость результатов
Исследуемые в работе магнитные наноконтакты с контролируемой геометрией, содержащие доменную стенку, представляют большой практический интерес, в первую очередь как сенсоры магнитного поля. Как было показано в настоящей работе, специфика сенсоров, основанных на таких наноконтактах, состоит в том, что
они являются чрезвычайно малыми (размер чувствительного элемента составляет десятки - сотни нанометров);
обладают регулируемой (путем подбора геометрии и параметров материалов) чувствительностью;
способны детектировать магнитное поле, локализованное в чрезвычайно малой области (десятки - сотни нанометров).
Таким образом, они представляют интерес для различных приложений, в том числе в качестве магниточувствительных элементов в сенсорах сверхмалых перемещений (например, для механических систем), сенсорах сверхмалых концентраций (для систем биологического мониторинга), и т.д. Кроме того, наноконтакт может представлять собой бистабильный элемент; в этом случае он может служить элементарной единицей магнитной памяти сверхвысокой плотности упаковки. Таким образом, полученные в работе результаты исследований магнитных и транспортных свойств таких наноконтактов имеют несомненное практическое значение.
Результаты, полученные при исследовании процессов перемагничивания с помощью электрического тока, также имеют большое практическое значение. С помощью данного эффекта, как предполагается, можно будет значительно упростить конструкцию магнитной памяти типа MRAM, магнитных логических элементов и др., в которых большую сложность вызывает создание управляющего локального магнитного поля.
Апробация результатов.
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на следующих конференциях:
Новые магнитные материалы микроэлектроники (НМММ 2006, Москва, 2006);
Третьем Европейском Симпозиуме по магнетизму (III Joint European Magnetic Symposia, JEMS'Об, Сан Себастьян, Испания, 2006);
Московский Международный Симпозиум по Магнетизму (MISM-2005, Москва);
Второй летней научной школе фонда «Династия» (Москва, 2005);
Международной конференции Nano and Giga Challenges in Microelectronics - 2004, (Краков, Польша, 2004 г);
«Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-19, Москва, 2004 г.);
Международной конференции «Функциональные материалы» (Партенит, Крым, Украина, 2003 г).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 9 статьях в рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, шести приложений, выводов и списка цитируемой литературы. Работа составляет 148 страниц, включает 50 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список насчитывает 206 наименований.
Основы теории спин-зависимого транспорта
В ферромагнетиках локальное направление намагниченности является выделенным направлением, задающим локальную ось квантования. Свойства группы носителей со спином + в проекции на эту ось будут очень сильно отличаться от свойств соответствующей группы с противоположным спином. Физической причиной этого различия является обменное взаимодействие между носителями и магнитными моментами вещества. Благодаря последнему у носителей с противоположными проекциями спина различается структура энергетического спектра є(к), иначе называемого зонной структурой. В свою очередь, это ведет к различию всех основных характеристик носителей двух спиновых групп. В частности, у носителей с энергией Ферми, которые определяют транспортные свойства металла, имеющих противоположные проекции спина, будут различаться скорости, длины свободного пробега, вероятности рассеяния на фононах и примесях, количество на элементарную ячейку (см. рис. 1а) и даже массы.
Акты обмена между носителями противоположной спиновой поляризации, т.е. рассеяния с переворотом спина, осуществляются редко по сравнению с характерными временами, определяющими большинство других транспортных свойств (временами рассеяния на фононах, примесях и т.д.). В результате, носители с поляризацией «вверх» и «вниз» относительно локальной оси квантования можно рассматривать как две квазинезависимые группы с очень разными свойствами. Этот факт является ключевой фундаментальной причиной, лежащей в основе большинства транспортных явлений в магнитных нанострукутрах. Данная концепция (она получила название «модели двух каналов» (two-channel model)) была предложена Моттом еще в 1930-х годах [41]. Она получила дальнейшее развитие в работах Campbel, Fert и др. [42]. Для различия носителей часто используют названия «основные» и «неосновные» (majority, minority carriers). Чаще всего под основными носителями подразумевают носители той поляризации, которая обладает большей плотностью состояний на уровне Ферми.
Важно отметить, что асимметрии плотностей состояний и вероятностей рассеяния носителей противоположных поляризаций часто имеют противоположные знаки. В рамках s-d модели это можно объяснить следующим образом, см. рис. 1.2.а) [26]. На поверхности Ферми имеются носители как s, так и d-типа. Эффективные массы s-электронов малы по сравнению с массами d-электронов, следовательно, электрический ток проводится в основном первыми. Для одной из спиновых поляризаций плотность состояний на уровне Ферми для d-зоны существенно больше, чем для противоположной поляризации. Соответственно, вероятность рассеяния s-электронов той же поляризации («вверх» на рис. 1.2.а)) будут больше, чем для противоположной. Таким образом, последние (поляризация «вниз» на рис. 1.2.а)) обладают большей подвижностью.
Уравнение динамики магнитного момента
Как было показано в предыдущей главе, при исследовании транспортных свойств магнитных нанообъектов чрезвычайно важным является знание детальной магнитной структуры таких систем. В частности, необходимо иметь представление о различных возможных устойчивых магнитных состояниях системы, о структуре, устойчивых состояниях ДС в них, о динамике процессов перемагничивания. При решении подобных задач одним из основных инструментов является численное моделирование. В первую очередь это относится к расчету магнитной структуры нанообъектов: данная задача требует самосогласованного решения нелинейных дифференциальных (или алгебраических) уравнений для всех элементарных объемов, на которое разбивается тело, и очень редко допускает аналитическое решение. Подобным образом, полномасштабное моделирование необходимо для расчета процессов перемагничивания полем, в особенности при учете влияния на него дефектной структуры, для исследования процессов перемагничивания электрическим током и других связанных эффектов.
Теория изучения магнитной структуры микро и нанообъектов называется микромагнитной теорией или микромагнетизмом; ее раздел, посвященный численному расчету магнитной структуры и процессов перемагничивания, называется теорией микромагнитного моделирования. Ниже приведены краткий обзор основ микромагнитной теории и методов численного микромагнетизма, а также краткое описание микромагнитного пакета SpinPM, на котором проводилось моделирование в данной работе.
Магнитная структура и процессы перемагничнвання планарного магнитного напоконтакта в форме наномостика
В контексте экспериментов по СДС в магнитных нанопроволоках и наноконтактах (см. раздел 1.2), поведение доменных стенок в нанообъеме является в настоящее время предметом активного изучения. В работе П. Бруно [133] (и затем в работах [134-135]) бьши теоретически исследованы структура и свойства доменной границы, геометрически запертой в наноконтакте, разделяющем две объемные ферромагнитные области. Было обнаружено, что структура и свойства такой доменной границы существенно отличаются от структуры и свойств доменных стенок типа Неелевской или Елоховской. Одним из основных отличительных свойств «запертой» ДС является то, что ее ширина может быть значительно меньше ширины ДС в объемном материале. Экспериментальное исследование возможности влиять на распределение намагниченности в нанообласти путем задания в ней модулированной структуры анизотропии проведено в [136]. В работах [137,134] представлена теоретическая модель выхода ДС из запирающей ее области под действием внешнего магнитного поля. Авторы показали, что в этом случае увеличение поверхностной энергии ДС компенсируется уменьшением магнитостатической энергии. В работе [138] получено аналитическое выражение для ширины ДС типа ГкГ в плоской нанопроволоке.
До недавнего времени для экспериментов по измерению СДС в наноконтактах использовались системы с плохо контролируемой геометрией - в работах [16] фактически речь идет о статистическом исследовании случайных наноконтактов, образованных отрывом или стыковкой двух стержней, намагниченных в противоположные стороны. В работе [139] бьшо показано, что магнитная структура наноконтактов, подобных исследованным в работе [16], чрезвычайно чувствительна даже к незначительным изменениям геометрии. Очевидно, что для постановки более убедительных экспериментов и для практического использования необходимо создание наноконтактов со строго заданными геометрическими параметрами.
В качестве таких контактов в некоторых работах [140,141] предлагается использовать пленочные наномостики, представляющие собой два плоских электрода (берега), соединенных наноразмерной перемычкой (см. рис. Ш.іа). В работе [141] методом компьютерного моделирования исследовалась магнитная структура наномостика с берегами, намагниченными в противоположных направлениях. Было обнаружено, что доменная граница при численном изменении параметров системы может спонтанно выходить из центра перемычки наномостика. При этом выход ДС может быть гистерезисным или обратимым, подобно фазовым переходам первого или второго рода. Однако физический механизм, лежащий в основе таких переходов, оставался невыясненным.
В настоящем разделе приведены результаты детального анализа магнитной структуры наномостика (они были опубликованы в [П6,П9]). Этот анализ включает в себя численное микромагнитное исследование устойчивых состояний для доменной стенки внутри контакта и процессов перемагничивания, а также аналитическое описание механизмов образования различных устойчивых состояний.
Спиновая аккумуляция и сопротивление доменной стенки в магнитной нанопроволоке
Как было сказано в разделе 1.2, некоторые эксперименты свидетельствуют о том, что сопротивление доменной стенки (СДС), запертой в наноразмерной системе, может определяться механизмом спиновой аккумуляции. Спиновая аккумуляция (СА) (см. 1.1.2) является существенно нелокальным механизмом. По этой причине представляет несомненный интерес изучение возможного влияния геометрии системы на распределение в ней СА, а через нее на СДС и на сопротивление объекта в целом (при условии, конечно, что СДС определяется СА). По нашим сведениям, такой задачи до настоящего времени не ставилось.
Предметом настоящей главы является решение транспортной задачи в магнитном наномостике, определенном в разделе Ш.1. Предполагается, что ДС является бесконечно узкой и ее сопротивление определяется механизмом спиновой аккумуляции. Из решения для распределения СА в системе находится дополнительное сопротивление НМ, обусловленное наличием ДС, для различных параметров системы и положений ДС, и другие транспортные характеристики системы. Полученные здесь результаты опубликованы в работах [ПЗ,П6,П8,П9,П11, П19, П24, П28].
class5 ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ НАНОСТРУКТУР СПИН-ПОЛЯРИЗОВАННЫМ
ТОКОМ class5
Индуцированное током движение доменной стенки в спин-вентилыюй структуре: влияние продольной компоненты спиновой аккумуляции. Модель стонеровского ферромагнетика
В разделах 1.3, 1.4 было рассказано о том, что в наноструктурах проявляется сильное взаимодействие между током и намагниченностью. Оно имеет квантовую природу; при достаточно высоких плотностях токов это взаимодействие приводит к перемагничиванию наноструктур. Ожидается, что этот механизм будет использоваться для переключения новой универсальной магнитной памяти MRAM, основанной на многослойных магниторезистивных элементах [3,5,6]. (Его использование позволит значительно упростить конструкцию MRAM, в которой в настоящее время для переключения используются токовые шины).
Теоретические методы для описания механизмов перемагничивания током разрабатываются достаточно активно, однако в понимании этого явления еще остается много белых пятен. Большинство работ по экспериментальному изучению процессов перемагничивания с помощью поляризованного тока в СРР геометрии проводится на структурах с поперечными размерами порядка 100 - 200 нм [11,18,88,185]. Такие структуры в первом приближении считаются однодоменными, и теоретические методы для расчета перемагничивания основаны на однодоменном приближении (см. обзор в разделе 1.3). Однако, как это было показано в ряде работ [23,24], процессы перемагничивания под действием спин-поляризованного тока протекают с образованием неоднородных распределений намагниченности, часто с образованием доменных стенок -см. рис. V.I. В этом контексте представляет собой большой интерес рассмотрение влияния тока текущего в СРР геометрии, на уединенную ДС в свободном слое спин-вентильной структуры. Решение этой задачи позволит выявить роль индуцированного током движения ДС в явлении переключения многослойных элементов током в СРР геометрии. Детальное решение этой задачи с учетом влияния как продольной, так и поперечной неравновесных компонент поляризации инжектируемого тока, приведено в разделах V.1 и V.29.
Кроме того, не так давно (в 2004 году) были написаны уравнения для описания индуцированного током движения ДС при токе, текущем перпендикулярно плоскости ДС (см. 1.4.4). Они представляют собой УЛЛГ, модифицированное путем учета двух вращающих моментов, пропорциональных току и содержащих пространственные производные намагниченности. Представляет собой большой интерес рассмотрение возможных решений этих уравнений в различных магнитных наносистемах. В разделе V.3 приведено аналитическое решение этих уравнений для случая индуцированного током движения ДС в цилиндрической нанопроволоке.
Результаты, представленные в данной Главе, были опубликованы в [П13,П15,П17,П2].
