Вихри в наномагнетиках • ü ü ü • ü Равновесные структуры в наномагнетиках Энергия наночастицы Равновесные структуры в нанодиске Структура вихря в наночастицах Управление полярностью вихря Переключение полярности вихря постоянным магнитным полем ü Переключение полярности вихря возбуждением гиромоды ü Переключение полярности вихря возбуждением внешних мод
Равновесные структуры в наномагнетиках Энергия наночастицы Взаимодействия в магнитомягких материалах – магнитостатическое поле Обменная длина ~ 5÷ 10 нм
Равновесные структуры
Равновесные структуры в нанодиске Микромагнитное моделирование Эксперимент
Структура вихря в наночастицах Вихрь – основное состояние в диске субмикронного размера Полярность: вверх или вниз р= +1 р= − 1 – полярные координаты Киральность: против часовой стрелки или по ней k= +1 k= − 1
Структура вихря в наночастицах J. Raabe, R. Pulwey, R. Sattler, T. Schweiboeck, J Zweck, D. Weiss. Magnetization pattern of ferromagnetic nanodisks JAP 88, 7, 4437 (2000) Микромагнитный расчет намагниченности для пермаллоевого диска диаметром 300 нм и толщиной 50 нм. На рис. (а) показана намагниченность в плоскости образца, где размеры стрелок отражают величину плоскостной компоненты. Уменьшение стрелок приближении к центру отражает увеличение z компоненты намагниченности (Mz). На рис. (b) отношение Mz/Ms показано как функции радиуса диска.
Структура вихря в наночастицах J. Raabe, R. Pulwey, R. Sattler, T. Schweiboeck, J Zweck, D. Weiss. Magnetization pattern of ferromagnetic nanodisks JAP 88, 7, 4437 (2000) • • Массивы частиц в вихревом состоянии Запись информации (HDD – hard disk drive): Tb/in 2 Вихревая оперативная память (VRAM vortex random access memory): Tb/s Типичные размеры Диаметр: 100 – 1000 нм Толщина 5 – 100 нм Размер ядра вихря ~ 10 нм
Структура вихря в наночастицах J. Raabe, R. Pulwey, R. Sattler, T. Schweiboeck, J Zweck, D. Weiss. Magnetization pattern of ferromagnetic nanodisks JAP 88, 7, 4437 (2000) Цветная фотография пермаллоевого диска имеющего диаметр 800 нм и высоту 50 нм, полученная с помощью метода магнитной силовой микроскопии (а). На рис. (b) показан MFM сигнал, снятый вдоль пунктирной линии на рис. (а).
Методы изготовления наномагнетиков. Обратная литография (lift off lithography)
Методы изготовления наномагнетиков. Рентгеновская литография
Равновесные структуры в нанодиске Микромагнитное моделирование Эксперимент
Петли гистерезиса наномагнетиков разных размеров Cowburn, Koltsov, Adeyeye, Welland, Tricker. PRL 83, 1042 (1999) D = 100 нм, t = 10 нм D = 300 нм, t = 10 нм
Переключение полярности вихря постоянным магнитным полем перпендикулярным плоскости Н = 2, 5 к. Э Н = 3, 5 к. Э Эксперимент. Пермаллоевые диски диаметром 400 нм. [Okuno, Shigeto, Ono, Mibu, Shinjo, JMMM, 240, 1 (2002)]
Переключение полярности вихря постоянным магнитным полем перпендикулярным плоскости Вероятность переключения намагниченност и ядра вихря как функция магнитного поля, ориентированн ого вдоль нормали к плоскости цилиндра. [Okuno, Shigeto, Ono, Mibu, Shinjo, JMMM, 240, 1 (2002)]
Переключение полярности вихря постоянным магнитным полем перпендикулярным плоскости Вероятность переключения намагниченности ядра вихря как функция магнитного поля, ориентированного вдоль нормали к плоскости цилиндра. Для различных величин углов между полем и нормалью к плоскости основания цилиндра. [Okuno, Shigeto, Ono, Mibu, Shinjo, JMMM, 240, 1 (2002)]
Спиновые волны в магнитных точках Уравнение Тиля Переключение полярности вихря возбуждениями гиромоды.
Переключение полярности ядра магнитного вихря с помощью магнитного поля с амплитудой 50 Э и частотой 580 МГц Guslienko K. Yu. , Lee Ki-Suk, Kim Sang-Koog. Dynamics Origin of vortex core switching in soft magnetic nanodots. PRL 100, 027203 (2008).
Пространственное распределение намагниченности в нанодиске в выбранные моменты времени для движущегося вихря.
Моделирование траектории движения ядра вихря под действием осциллирующего магнитного поля в момент времени 0 -8 нс (а) и 8 -16 нс (b). Скорости V и амплитуды движущегося вихря приведены в зависимости от времени (b) и (c) соответственно. Разворот ориентации ядра вихря происходит при максимальной скорости Vc и амплитуде.
Переключение центральной части магнитного вихря в пермаллоевом элементе размером 500 нм под действием плоскостного магнитного поля (интервал между кадрами 250 пс).
Траектория ядра вихря M. Weigand, B. V. Waeyenberge et al. Vortex core switching by coherent excitation with single in-plane magnetic field pulses. Phys. Rev. Letters. 102. 077201 (2009).