Открытие российских физиков: новый метод исследования магнитных свойств гранатовых пленок

Российские ученые из МФТИ, Российского квантового центра и Крымского федерального университета предложили эффективный способ анализа магнитной анизотропии гранатовых пленок при низких температурах. Их метод основан на измерениях ферромагнитного резонанса (FMR) и позволяет с высокой точностью отслеживать, как изменяются константы магнитной анизотропии в зависимости от температуры. Это важное достижение для магноники — развивающегося направления спинтроники, связанного с передачей информации при помощи спиновых волн. Результаты исследования опубликованы в Journal of Applied Physics, а работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проекты № 23-62-10024 и № 24-72-00043).

Почему это важно?
Железо-иттриевые гранаты (ЖИГ) уже давно привлекают внимание ученых благодаря их уникальным магнитным и оптическим свойствам. Эти материалы находят применение в спинтронике, оптических изоляторах, магнитооптических устройствах и датчиках магнитного поля. Однако большинство исследований таких пленок проводилось при комнатной температуре, тогда как поведение этих материалов при низких температурах оставалось малоизученным.
Одна из главных сложностей заключалась в том, что традиционные методы измерения магнитной анизотропии требуют точного определения намагниченности пленки. Однако если пленка выращена на парамагнитной подложке, например, из гадолиний-галлиевого граната, это приводит к искажениям в измерениях. Из-за этого исследование свойств таких материалов при низких температурах было затруднено, что сдерживало прогресс в области магноники, особенно в приложениях, связанных с квантовыми вычислениями и сверхпроводниковыми системами.

Как работает новый метод?
Магнитная анизотропия описывает зависимость энергии системы от ориентации намагниченности. Она бывает двух типов:

• Кубическая — связана с кристаллической структурой материала.
• Одноосная — обусловлена внутренними напряжениями или особенностями роста пленки.

Оценка этих параметров играет ключевую роль в исследовании магнитных материалов. Один из инструментов для их изучения — ферромагнитный резонанс, который позволяет измерять, как изменяется резонансная частота материала под действием внешнего магнитного поля.
В своем исследовании ученые предложили метод, позволяющий вычислять константы магнитной анизотропии на основе измерений FMR в широком температурном диапазоне. В эксперименте использовались пленки, легированные висмутом, выращенные на диамагнитной подложке из иттриево-скандиево-галлиевого граната. В отличие от гадолиний-галлиевого граната, такая подложка не вносит дополнительных магнитных искажений, что делает метод более точным.

Ученые исследовали, как магнитная анизотропия изменяется при температурах от 5 до 300 K, и обнаружили, что при 120 K одноосная анизотропия меняет знак — от отрицательных значений к положительным.

Как проводился эксперимент?
Для измерений использовался векторный анализатор цепей, подключенный к гелиевому криостату замкнутого цикла. Пленка размещалась на копланарном волноводе, а ученые анализировали передаваемый сигнал.
Главное отличие нового метода от традиционных подходов — использование широкополосных измерений ферромагнитного резонанса вместо одночастотных. Ученые показали, что если приложить магнитное поле перпендикулярно пленке, резонансная частота линейно увеличивается с ростом поля. Это позволяет определить константы магнитной анизотропии по наклону соответствующего графика.

Что нового дает этот метод?
В отличие от существующих методик, предложенный подход не требует измерения угловой зависимости ферромагнитного резонанса, что значительно упрощает эксперимент. Еще одно важное преимущество — метод позволяет быстро оценивать магнитные параметры в зависимости от температуры. Его можно применять для исследования пленок с различными частотными зависимостями FMR, вне зависимости от наличия или отсутствия «мягкой моды».

Михаил Панин, инженер лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ, отмечает:
«Разработанная методика позволяет эффективно измерять температурную зависимость магнитной анизотропии в пленках железо-иттриевого граната. Мы доказали, что наш метод применим к широкому классу пленок и может использоваться даже в установках, где нет возможности точно контролировать направление магнитного поля. В исследуемом образце с довольно сложным составом мы также обнаружили нетипичное поведение магнитной анизотропии и объяснили его механизм».

Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ, добавляет:
«Наш метод уже показывает свою эффективность, но мы не планируем останавливаться. Дальнейшие исследования направлены на повышение чувствительности измерений ферромагнитного резонанса для изучения двумерных магнитных материалов, таких как CrCl₃ и CrSBr. Мы также планируем применить новый подход для анализа ультратонких гранатовых пленок с перпендикулярной магнитной анизотропией».

Новая методика уже доказала свою полезность для изучения магнитных пленок, но ее потенциал выходит за рамки текущего исследования. В будущем метод может быть адаптирован для изучения материалов, предназначенных для квантовых вычислений и спинтронных устройств. Кроме того, ученые намерены изучить, как магнитная анизотропия взаимодействует с другими магнитными эффектами, а также исследовать пленки с разными ориентациями кристаллической решетки.

Источник: Физики разработали новый метод оценки констант магнитной анизотропии в гранатовых пленках при низких температурах — За науку