Используя метод молекулярно-лучевой эпитаксии, ученые Института физики Казанского федерального университета совместно с коллегами из Московского физико-технического института впервые вырастили эпитаксиальные тонкие пленки сплава палладий–железо с непрерывным контролируемым распределением магнитной примеси по толщине. Исследования показали, что, задавая профиль распределения в таких «градиентных» магнитных материалах при их синтезе, можно управлять спектром стоячих обменных спиновых волн.

Работа опубликована в специальном выпуске американского журнала Journal of Vacuum Science & Technology A.

Исследования были выполнены на базе НИЛ «Гетероструктуры для посткремниевой электроники» Института физики КФУ, созданной в рамках программы «Приоритет–2030», главным научным сотрудником НИЛ, академиком Академии наук РТ Ленаром Тагировым, ведущим научным сотрудником, заведующим кафедрой квантовой электроники и радиоспектроскопии Романом Юсуповым, старшими научными сотрудниками лаборатории Амиром Гумаровым и Игорем Янилкиным, а также ведущим научным сотрудником НИЛ «Квантовые симуляторы» Айратом Киямовым и научным сотрудником НИЛ «Многофункциональные наноструктуры и кристаллы фотоники для решения фундаментальных задач биомедицины и материаловедения» Булатом Габбасовым. В работе принял участие ведущий научный сотрудник Лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Игорь Головчанский.

Научная работа проводилась в рамках поддержанного Российским научным фондом проекта «Исследование спин-волнового резонанса в эпитаксиальных пленках сплавов PdFe и PdCo с заданным профилем концентрации магнитной примеси».

«Спиновые волны или магноны – это собственные возбуждения магнитных моментов, распространяющиеся в магнитном материале, таком как ферромагнетик, антиферромагнетик или ферримагнетик, посредством обменных или магнитостатических взаимодействий. Спиновые волны перспективны для передачи и обработки информации в магнонике – новой и бурно развивающейся области спин-волновой электроники. Ученые сегодня научились возбуждать, передавать и считывать магноны, однако спектр спиновых волн известных магнитных материалов довольно четко определен, что создает проблемы сопряжения различных магнитных материалов в магнонных процессорах. Вместе с тем развитие технологий по созданию тонких пленок с рукотворными магнитными свойствами открывает широкие возможности для управления спектром спиновых волн. Новые знания о том, как магнитная структура пленки влияет на возбуждение, распространение и затухание спиновых волн, будут способствовать развитию магноники в направлении передачи и обработки информации», – комментирует руководитель проекта Амир Гумаров.

Согласно теоретическим расчетам, пленки с неоднородными магнитными свойствами позволяют управлять как стоячими, так и распространяющимися спиновыми волнами. На сегодняшний день существует очень мало экспериментальных работ, посвященных синтезу магнитных материалов с заранее заданным профилем распределения магнитных свойств («градиентных» магнитных материалов). Среди методов получения градиентных материалов можно выделить метод химического осаждения, жидкофазную эпитаксию, магнетронное распыление, а также метод ионной имплантации. Отметим, технология молекулярно-лучевой эпитаксии в целях создания градиентных магнитных материалов впервые была использована учеными КФУ.

«Сплав палладий–железо оказался идеальным для создания на его основе градиентного магнитного материала. Во-первых, важным преимуществом данного сплава является возможность перестройки его магнитных параметров: намагниченности насыщения, коэрцитивного поля, энергии обменного расщепления зоны проводимости и магнитной анизотропии путем изменения концентрации железа. Во-вторых, данный сплав на основе благородного металла не окисляется со временем и не меняет своих магнитных свойств на протяжении десятков лет. И наконец, мы можем контролируемым образом задавать профиль распределения концентрации железа в матрице палладия, то есть сделать его, например, линейным, параболическим, синусоидальным или более сложным. Последнее позволило нам наблюдать проявление магнонных мод, локализованных в потенциальной яме искусственно заданного магнитного профиля. Можно сказать, что нам удалось с помощью профилирования магнитных свойств пленки управлять ее спин-волновыми резонансами. Каждая спин-волновая мода – это струна, колеблющаяся со своей частотой. Управление спин-волновыми резонансами можно сравнить с настройкой струн музыкального инструмента», – поясняет И. Янилкин.

Для получения желаемых сплавов использовались две испарительные ячейки, которые содержали исходные материалы – палладий и железо, сообщили физики Казанского университета. В процессе роста пленки температура ячейки с палладием оставалась постоянной, а температура ячейки с железом изменялась по заранее запрограммированному протоколу изменения скорости нагрева/охлаждения ячейки во времени, что позволило вырастить пленки с неоднородным распределением железа в матрице палладия.

«Это не первый наш опыт получения неоднородного профиля распределения магнитной примеси железа в матрице палладия. Ранее мы использовали ионную имплантацию атомов железа в предварительно выращенные монокристаллические пленки палладия. Однако такой метод, в отличие от молекулярно-лучевой эпитаксии, не позволял нам с прецизионной точностью контролировать профиль распределения концентрации железа по толщине пленки, что делало управление спектром собственных магнонных мод затруднительным», – говорит Ленар Тагиров.

Основной целью синтеза градиентных пленок на основе сплава палладий–железо стало изучение возможности управления спектром стоячих спин-волновых резонансов. Для этого ученые исследовали возбуждение в них спиновых волн методом ферромагнитного резонанса в различных геометриях и температурах измерений. По словам Романа Юсупова, основной экспериментальный результат заключался в наблюдении картины резонансного поглощения, соответствующей заранее заданному ферромагнитному профилю пленок. Он также добавил, что измеренные спектры спин-волнового резонанса хорошо описываются в рамках существующей теории.

«Наши образцы являются низкотемпературными ферромагнетиками, однако мы показали, что можно сдвинуть интервал градиента концентрации железа в палладии так, чтобы спиновые волны наблюдались и при комнатной температуре, что важно для практических приложений в магнонике, не требующей охлаждения компонентов», – отметил ученый КФУ.