Исследователи из России, Южной Кореи и Австралии предложили новый метод управления спин-электронными свойствами и функциональностью сэндвичевых магнитных систем. Разработка поможет создать новый тип миниатюрной электроники и электронной памяти. Работа опубликована в журнале NPG Asia Materials.

В последние пять лет в мире активно развивается спин-орбитроника, изучающая спин-орбитальное взаимодействие. Технологии спин-орбитроники позволяют управлять функциональностью создаваемых устройств с помощью спин-орбитального взаимодействия в составляющих их наноматериалах.

Хорошее спин-орбитальное взаимодействие имеют тяжелые металлы платиновой группы (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). При контакте таких металлов с ультратонкой магнитной пленкой кобальта, никеля или железа можно радикально поменять электронные и магнитные свойства системы.

Автор новой работы предложили управлять функциональностью магнитной сэндвичевой наносистемы с помощью поверхностных шероховатостей магнитной пленки, которая зажимается между слоями наносистемы. Изменяя амплитуды шероховатостей на нижней и верхней поверхностях магнитной пленки в диапазоне менее нанометра исследователи смогли добиться максимальных полезных характеристик системы.

Чтобы показать эффективность нового метода, ученые создали магнитную систему, которая состоит из слоя палладия (Pd) толщиной от 0 до 12 нанометров и нанесенного на него слоя платины толщиной два нанометра. Сверху структуру покрывает ферромагнетик CoFeSiB толщиной 1,5 нанометра. Многослойную структуру накрывали слоем из оксида магния (MgO), тантала (Ta) либо рутения (Ru). Слои таких металлов позволяют управлять магнитными свойствами наносистемы в более широком диапазоне.

«Во-первых, можно управлять намагниченностью, получая наносистемы, намагниченные перпендикулярно плоскости пленки, — так делают в современных жестких дисках и разрабатываемых носителях нового поколения, чтобы повысить плотность хранения информации, увеличить скорость записи/чтения данных и количество циклов перезаписи. Во-вторых, сильное спин-орбитальное взаимодействие в тяжелом металле приводит к "деформации" электронных орбиталей атомов магнитного материала (пленки), в результате возникают спиновые эффекты, такие как магнитное затухание и интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория, появляющееся на границе тяжелого металла и покрывающего его магнитного слоя. Это антисимметричное взаимодействие ведет к трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных спиновых текстур, таких как скирмионы и скирмиониумы. Такие спиновые текстуры имеют громадный потенциал для электроники будущего, играя роль энергонезависимых носителей информации. Например, на их основе можно делать компоненты компьютерной памяти, которые будут работать без магнитных головок, а биты в них будут переключаться токовыми импульсами за счет «переворота» спинов электронов. Такие устройства смогут работать на скоростях передачи битов до нескольких км/с под действием только электрического тока и вмещать на порядок больше данных», — говорит Александр Самардак, один из авторов исследования, доктор физико-математических наук и проректор ДВФУ по научной работе.

В ходе работы, используя метод молекулярно-лучевой эпитаксии ученые вырастили несколько палладиевых пленок с идеальной монокристаллической структурой. Оказалось, что шероховатую поверхность таких пленок можно описать синусоидальной функцией. Авторы меняли толщину палладиевых пленок от 0 до 12,6 нм и научились управлять амплитудой и периодом шероховатостей в диапазоне от 0 до 2 нм и от 0 до 50 нм соответственно. После этого магнетронным напылением в вакууме ученые нанесли на поверхность палладия тонкую пленку из платины и магнитного сплава CoFeSiB. Сверху структуру покрыли разными материалами (оксидом магния, танталом, рутением). Материал «крышки» сильно влиял на магнитную анизотропию, в то время как влияние на взаимодействие Дзялошинского-Мория было не таким значительным. При этом наносимые слои Pt и CoFeSiB повторяли морфологию поверхности Pd.

В результате исследователи показали, что без изменения состава магнитной системы можно радикально менять ее функциональные свойства. Например, величина взаимодействия Дзялошинского-Мория повышалась в 2,5 раза при толщине слоя Pd в десять нанометров. Именно при этой толщине шероховатости нижнего и верхнего интерфейсов магнитной пленки были максимально скоррелированы.