Физики объяснили, как растёт ферромагнитная фаза в тонкой магнитной плёнке железа-родия

7 июня 2021
79

Сотрудники кафедры магнетизма физического факультета МГУ предложили новую методику измерений особенностей роста ферромагнитной фазы по объему сплава железа-родия (FeRh) в тонких пленках. Подобные исследования помогут в будущем создать новое поколение жёстких дисков с увеличенной плотностью записи информации. Авторы надеются, что работа внесёт вклад в создание теории, описывающей магнитные фазовые переходы первого рода. Статья опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Больше двадцати лет учёные ведут поиск материалов, испытывающих магнитный фазовый переход первого рода вблизи комнатных температур. На основе данного эффекта возможно создание криогенных установок (холодильников), которые будут более экологичными и энергоэффективными по сравнению с используемыми сейчас. Для этих целей, как правило, используются объемные сплавы, поведение которых значительно труднее описать, чем поведение тонкопленочных систем. Однако, дальнейшие исследования фазовой динамики в объемных образцах будут базироваться на предложенной теории для квази-двухмерных систем. Помимо калорических свойств, в данном материале значительно изменяются магнитные свойства при изменении температуры. Поэтому сплав железа-родия потенциально может использоваться для записи информации. Локальный нагрев способствует уменьшению требуемой энергии для перезаписи, а последующее охлаждение увеличивает надежность хранения записываемой информации. Такая модификация современных жестких дисков является одним из наиболее перспективных способов увеличения плотности записи информации. 

Чаще всего изменение магнитного состояния вещества происходит без изменения его структуры (объема или симметрии элементарной ячейки). Например, если нагреть железный порошок, то при определенной температуре он почти перестанет взаимодействовать с внешним магнитным полем, т.е. переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное (фазовый переход второго рода). Однако, существует ряд сплавов, которые испытывают магнитные фазовые переходы с сопутствующим изменением структуры (фазовый переход первого рода). Визуально можно это представить, вспомнив, как замерзает вода. Сначала в объеме воды возникают небольшие кристаллики льда, которые затем увеличиваются в размерах.

Учёные кафедры магнетизма физфака МГУ показали, что в соединении железа-родий присутствует похожий фазовый переход. Только сосуществующие фазы обладают различным магнитным упорядочением. К сожалению, нет способов, позволяющих визуализировать микромагнитную структуру объемного образца, поэтому исследование динамики фазового магнитного фазового перехода первого рода является трудоемкой задачей. 

«Мы продемонстрировали особенности зарождения и роста ферромагнитной фазы в тонкой железо-родиевой пленке. Также, мы определили, что зарождение новой фазы происходит на поверхности, затем осуществляется ее рост по поверхности, который завершается уменьшением количества доменов в объединенных кластерах. Последней стадией эволюции системы является рост ферромагнитной фазы в направлении к подложке», - рассказал магистрант кафедры магнетизма физического факультета МГУ Алексей Комлев.

Для определения особенностей роста ферромагнитной фазы была предложена новая методика по измерению и анализу временной релаксации намагниченности образца (FeRh пленка, толщиной 56 нанометров, выращенной на монокристаллической подложке MgO). Для интерпретации полученных данных была предложена феноменологическая теория. Подтверждение наблюдаемых результатов было произведено при помощи анализа полевого, температурного поведения намагниченности, снимков поверхности, полученных на магнито-силовом микроскопе при различных температурах, а также была применена современная методика TFORC анализа. «Исследование динамического поведения фазового перехода является одной из ключевых задач физики конденсированного состояния вещества. Во-первых, это связано с тем, что первопричина возникновения подобных переходов остается под вопросом. Изучение динамики перехода позволит нам приблизиться к ответу на этот вопрос. Во-вторых, для практических целей чаще всего используются переменные поля, поэтому информация об эволюции фазового перехода важна», - добавил Алексей Комлев. 

Выполненная работа представляет ценность не только для изучения выбранного сплава, но и для всего класса веществ, в которых наблюдается магнитоструктурный фазовый переход. Исследование динамических параметров демонстрирует взаимосвязь между спиновой и атомной подсистемами. Авторы статьи надеются, что представленная работа внесла вклад в создание теории, способной описать временное поведение намагниченности, изменение которой индуцировано структурным изменением.