Пикосекундная физика магнетизма: ученые описали инерционное переключение наномагнитов

Исследователи из МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Тринити-колледжа Дублина разработали новый математический подход для описания сверхбыстрой магнитной динамики. Модель позволяет учитывать инерционное поведение намагниченности ферромагнитных наночастиц под действием внешнего магнитного поля и теплового шума. Результаты работы могут стать важным шагом на пути к созданию сверхбыстрой магнитной памяти, устройств спинтроники нового поколения и терагерцовых технологий. Исследование поддержано Российским научным фондом (грант № 25-22-00119) и опубликовано в журнале Physical Review B.

Развитие терагерцовой электроники и ультрабыстрой спинтроники требует понимания процессов, происходящих на чрезвычайно коротких временных масштабах. В современных наномагнитных системах переключение намагниченности может происходить за пикосекунды и даже быстрее. На таких временах традиционные модели начинают терять точность, поскольку предполагают, что намагниченность реагирует на изменение внешнего поля мгновенно и не обладает собственной инерцией.

Однако на предельно малых временах эта картина оказывается неполной.

«Если говорить простыми словами, то обычная теория описывает магнитный момент как вектор, прецессирующий вокруг магнитного поля. Но в сверхбыстрых процессах магнитный момент ведет себя скорее как тяжелый волчок: на прецессию вектора магнитного момента вокруг эффективного магнитного поля накладывается дополнительное осциллирующее движение — нутация вектора», — пояснил Антон Титов, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники», младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спинтроники МФТИ.

Чтобы описать такую динамику, ученые построили теоретическую модель инерционного движения намагниченности во внешнем магнитном поле с учетом тепловых флуктуаций. В качестве модельной системы рассматривался одноосный наномагнит, способный находиться в двух устойчивых состояниях, разделенных энергетическим барьером.

Далее исследователи добавили внешнее магнитное поле, которое нарушает симметрию системы: одна из потенциальных ям становится энергетически более выгодной, а другая — менее устойчивой. Такая ситуация близка к условиям реальных магнитных устройств, где внешние поля используются для управления состоянием наномагнитов.

Это позволило проследить, как поле влияет на вероятность переходов между двумя устойчивыми ориентациями намагниченности. После этого в модель были включены тепловые флуктуации, которые играют важную роль в поведении наномагнитов при обычных температурах. Тепловой шум способен не только изменять движение намагниченности внутри каждого устойчивого состояния, но и вызывать случайные переходы через энергетический барьер.

Ключевое отличие новой модели от большинства существующих подходов заключается в учете инерции намагниченности. Благодаря этому удалось описать сверхбыструю нутацию — дополнительное колебательное движение магнитного момента, возникающее наряду с привычной прецессией вокруг эффективного магнитного поля. В стандартных безынерционных теориях такой режим движения просто отсутствует.

Для анализа поведения системы ученые рассчитали спектр магнитной восприимчивости — величины, показывающей, как намагниченность реагирует на внешнее воздействие на разных частотах. Расчеты выявили существование трех отчетливо различимых режимов релаксации.

Первый режим связан с медленными переходами через энергетический барьер. В этом случае намагниченность может менять устойчивое состояние под действием тепловых флуктуаций или внешнего поля. Именно такие процессы определяют долговременную стабильность магнитной памяти.

Второй режим соответствует локальной релаксации внутри потенциальной ямы. Здесь намагниченность остается в пределах одного устойчивого состояния, совершая сложное прецессионно-нутационное движение и постепенно возвращаясь к равновесию.

Третий режим оказался самым быстрым и наиболее интересным с точки зрения ультракоротких временных масштабов. Он обусловлен именно нутацией намагниченности — инерционным эффектом, который невозможно описать в традиционном безынерционном приближении.

Полученный метод позволяет рассчитывать магнитную восприимчивость ферромагнитных наночастиц в чрезвычайно широком диапазоне частот — от низкочастотной области до терагерцового диапазона, где влияние инерции становится особенно заметным и уже не может быть проигнорировано.

«Разработанный нами теоретический подход является универсальным. Он объединяет в себе как предыдущие достижения, основанные на традиционном рассмотрении безынерционных магнитодинамических процессов в спиновой системе, так и новые результаты, связанные с инерционностью намагниченности», — отметил Антон Титов.

Новая работа позволяет перейти от упрощенных представлений о поведении наномагнитов к более реалистичной картине, в которой одновременно учитываются тепловой шум, воздействие внешнего поля, переходы через энергетические барьеры и сверхбыстрая нутационная динамика. По мнению авторов, такой подход будет востребован при разработке перспективных устройств магнитной памяти, элементов спинтроники и компонентов терагерцовой электроники, где процессы разворачиваются на временах порядка одной пикосекунды и меньше.

Источник: Мгновение длительностью в одну пикосекунду: физики описали инерционное переключение намагниченности наночастиц на ультракоротких временных интервалах в условиях теплового шума — За науку