XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные свойства веществ и материалов привлекают интерес исследователей уже не одно десятилетие. В начале ХХ века стало очевидно, что такие свойства являются результатом кооперативных эффектов на молекулярном и атомном уровнях, а с появлением квантовой механики генезис магнетизма был тесно увязан с природой химической связи. Представлялось очевидным, что макроскопические магнитные свойства исследуемого объекта обусловлены кристаллохимическими особенностями тонкого строения ближайшего окружения атомов, содержащих неспаренные электроны. В этой связи изучение магнитных свойств объектов стало мощным средством получения информации о структуре неорганических, в первую очередь координационных соединений еще до того, как рентгеноструктурный анализ вошел в повседневную практику исследователей. Благодаря совместным усилиям физиков и химиков было создано особое направление неорганической и координационной химии–магнетохимия, что позволило получить большой объем данных о взаимосвязи структуры и магнитных свойств исследуемых объектов.

Молекулярные магниты

Недавно «магнитоактивные материалы» обозначали макрообъекты, такие как: обломки и сплавы из металлов, в которых магнетизм определялся с помощью атомарного уровня. «Молекулярные магнетики» представляют интерес для современных технологий в фотонике и тераностике. Среди молекулярных магнетиков присутствуют те, чьи кристаллы могут при магнитном фазовом переходе обратимо менять свою форму.

Молекулярные магнетики представляют из себя металлорганическое соединения, которые проявляют свойства магнитных материалов, которые ниже температуры блокировки в молекулярном масштабе. Внутри этого температурного диапазона происходит явление магнитного гистерезиса чисто молекулярной природы (рис. 1)

Рис 1 «молекулярные магнетики»

Возможности и особенности:

1) Показывают возрастающую зависимость произведения температуры и магнитной восприимчивости, с уменьшением температуры

2) Могут характеризоваться сдвигом как интенсивности динамической (АС) магнитной восприимчивости, так и ее положения.[1]

3) Представляют молекулярный подход к нано-магнитам

4) Являются строительными блоками для квантового компьютера, так как они применяются для реализации наименьшей практической единицы для магнитной памяти.

5) кристаллы молекулярных магнетиков способны при магнитном фазовом переходе обратимо менять свою форму.

Магнетизм на нано-размерном уровне

Большой прорыв благодаря новейшим магнитным материалам сделало повышение плотности записи материала. Извлеченные значения опережают пропорциональные плотности записи, которые достигаются при применении полупроводниковых материалов. Магнитный момент вместе с магнитной анизотропией играют важную роль при создании магнитных устройств регистрации.

Магнитный момент магнита - это величина, которая определяет крутящий момент, который он испытывает во внешнем магнитном поле. Петля электрического тока, стержневой магнит, электрон (вращающийся вокруг ядра), молекула и планета - все они обладают магнитными моментами.[2]

Магнитный момент можно рассматривать как вектор, имеющий величину и направление. Направление магнитного момента указывает с юга на северный полюс магнита. Магнитное поле, создаваемое магнитом, пропорционально его магнитному моменту. Точнее, термин магнитный момент обычно относится к магнитному дипольному моменту системы, который дает первый член в мультипольном разложении общего магнитного поля. Дипольная составляющая магнитного поля объекта симметрична относительно направления его магнитного дипольного момента и уменьшается как куб, обратный расстоянию от объекта.

Магнитный момент определяется как вектор, связывающий выравнивающий момент на объекте от приложенного извне магнитного поля к самому вектору поля. Отношения задаются: τ = µ x B ,где τ - крутящий момент, действующий на диполь, B - внешнее магнитное поле, μ - магнитный момент.

2. Магнитная анизотропия

Энергия магнитной анизотропии (MAE) - это энергия, необходимая для поворота намагниченности из одного из ее легких направлений в жесткое направление намагничивания. Простое направление обозначает направление с минимальным, жестким направлением с максимальной энергией основного состояния системы. Без дополнительных магнитных полей магнитная анизотропия определяет направление намагничивания в кристаллической решетке. Есть два конкурирующих вклада в МАЭ: магнитные дипольные взаимодействия и SOC. Обменное взаимодействие не должно влиять на МАЭ, поскольку оно изотропно в рамках модели Гейзенберга. Анизотропия, индуцированная SOC, в основном зависит от анизотропии орбитального магнитного момента ∆µ и постоянной SOC.[3]

Для малых структур область, где вращения устремлены в одинаковом направлении, может характеризоваться макроскопическим суммарным вращением, или «макро-вращением». Благодаря стабильности направлений "макро-вращения" возможно достичь долгосрочной памяти, в случае если энергия анизотропии слишком высока. Однако устремленность макроскопического вращения способна преображаться самопроизвольно, в случае вдруг энергия анизотропии окажется недостаточно объемной если сравнивать ее с тепловой энергией. (рис. 2)

(Рис. 2. . Магнитная анизотропия)

Andreas Heinrich вместе со своими товарищами опубликовали собственную статью, в которой говорилось, что им удалось произвести замеры магнитной энергии анизотропии и магнитного момента на атомном уровне. Ими были получены значения вращения индивидуальных атомов железа и марганца, адсорбированных на поверхности нитрида меди и энергии анизотропии. Возможно лицезреть электронное возбуждение атомов железа (или марганца), которое взаимосвязано с преобразованием магнитного состояния ионов если применять низкотемпературные измерения с использованием туннельной силовой микроскопии. Возможно предсказывать вероятность наилучшей ориентации вращения, потому что энергия возбуждений зависит от величины и направления приложенного поля, следовательно, возможно установить, как магнитные свойства атомов зависят от их ближайшего окружения. Измерение энергии анизотропии и магнитных моментов хорошо известных, модельных систем дает возможность сравнить экспериментальные значения с теоретическими расчетами. С переориентацией вращений из наилучшего направления по другим осям связана магнитная анизотропия материала. Ученые предложили особый способ, который давал возможность контролировать время жизни магнитных состояний с помощью наложения вращательно-поляризованного тока. В результате получили «переключение» вектора намагниченности. Благодаря приложению магнитного поля происходит запись материала в магнитных устройствах (информация считывается на основе эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС)). Элемент устройства магнето-резистивных воспоминаний (MRAM) состоит из магнитных электродов, которые разделены немагнитной прослойкой.[4] Благодаря магнитному полю можно осуществить перемагничивание электродов, но если бы была возможность изменять намагниченность, то это дало бы возможность зафиксировать информацию. Принцип работы системы перемагничивания нано-размерной области состоит в том, что сквозь элемент MRAM пропускается вращательно-поляризованный ток. Главной проблемой в развитии нового поколения устройств, предназначенных, для магнитной записи является теоретическое объяснение процесса перемагничивания. Большая часть экспериментов по данной тематике проходят на нано-нитях, но размерный фактор не допускает возможность экспериментального контроля процессов, происходящих в нано-нитях. Однако не так давно данная проблема получила решение и появилась возможность выявлять оказывающие влияние на процесс перемагничивания факторы.[5]

Andreas Heinrich смог определить совместно со своими товарищами, сколько составляет энергия анизотропии атома железа, проходящего вдоль оси легкого намагничивания –(1.55±0.01 мэВ) и сколько в перпендикулярном направлении – (0.31±0.01мэВ).

Атомы имели бы расположение по продольному направлению одной оси с анизотропией, по величине равной величине анизотропии атомов кобальта на поверхности платины если бы в плоскости перпендикулярной к оси легкого намагничивания анизотропия была бы нулевой.

Список литературы:

1.) Х. Батль и А. Лабарта, Дж. Физ. Д: Прил. Физ. 35 (2002) R15.

2.) У. Видвальд, Дж. Линднер, М. Спасова, З. Фрейт и М. Ф.Арле, Фазы 78 (2005) 85.

3.) У. Видвальд, М. Спасова, Е. Л. Салабас, М. Улмеану, М. Фарле, З. Фрайт, А. Фрайле Родригес, Д. Арванитис, Н. С. Собаль, М. Хилгендорф и М. Гирсиг, физ. препод об. В 68 (2003) 064424.

4.) М. Спасова и М. Ф.Арле, Низкоразмерные системы: теория, подготовка и некоторые Приложения, ред. Л. Марзани М. Гирсиг, Научная серия НАТО II, Том 91 (Springer, 2003) с. 173.

5.) O. Марджит, М. Тран, М. Спасова и М. Ф.арле, Phys. Rev. B 75 (2007) 1344