Американские исследователи из Национального Института Стандартов и Технологии определили теоретически доминирующие механизмы «звона» – затухания возбуждённых магнитных состояний в нескольких важных металлах.

Возможность управлять динамическим поведением магнитных материалов чрезвычайна важна для создания высокопроизводительных электронных устройств, таких как магнитные сенсоры и устройства хранения информации. В магнитном жёстком диске компьютера логический бит представлен группой атомов, электронные спины которых ориентированы в одном направлении, создавая магнитное поле. Для того, чтобы изменить значение бита, например, с единицы на ноль, пишущая головка создаёт поле с другим направлением, вследствие чего электроны уже находятся в возбуждённом состоянии. Из-за этого в новом поле спин начинает прецессировать. А за счёт затухания энергия этой прецессии постепенно снижается, и вектор спина приходит в новое стабильное состояние. Таким образом, для высоких скоростей записи (обращение направления намагниченности за наносекунды и менее) ключевым фактором является сильное затухание.

С другой стороны, затухание вызывает возникновение шума и потери сигнала в магнитных сенсорах (в том числе – в считывающей головке того же жёсткого диска). Поэтому для создания эффективных магнитных устройств, в частности – нанометровых масштабов, необходимо создание структур с чётко определённым затуханием. К сожалению, сами механизмы этого затухания до сих пор не вполне ясны. Невозможность провести количественные расчёты силы затухания приводит к тому, что до сих пор поиск новых, лучших материалов приходилось вести во многом методом проб и ошибок.

Для решения этой проблемы исследователи рассчитали ожидаемые параметры затухания в трёх широко используемых ферромагнитных металлах – железе, никеле и кобальте – на основе моделей, сложным образом связывающих прецессионное затухание с возникновением пар электрон-дырка, диссипирующих энергию прецессии в виде колебаний кристаллической решётки металла. Существование как минимум двух различных конкурирующих механизмов приводит к тому, что, например, с ростом температуры во всех трёх металлах затухание усиливается; однако, в кобальте и никеле оно также усиливается при низких температурах. Сравнивая расчётные эффекты с экспериментальными наблюдениями, учёные смогли идентифицировать доминирующие механизмы затухания в этих металлах при комнатной температуре и выше. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации затухания в новых магнитных сплавах.

Василий Артюхов