Письма в ЖЭТФ, том 109, вып. 6, с. 408 - 412

Переход в магнитное неколлинеарное спин-флоп состояние в

сверхрешетке Fe/Pd/Gd/Pd

Н.О.Антропов^+∗1), Ю.Н.Хайдуков^×◦, Е.А.Кравцов^+∗, М.В.Макарова⁺, В.В.Проглядо⁺, В.В.Устинов^+∗

⁺Институт физики металлов им. М. Н. Михеева Уральского отделения РАН, 620108 Екатеринбург, Россия

^∗Уральский федеральный университет, 620002 Екатеринбург, Россия

^×Max Planck Institute for Solid State Research, 70569 Stuttgart, Germany

^◦Max Planck Society Outstation at Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, 85748 Garching, Germany

Поступила в редакцию 29 декабря 2018 г.

После переработки 18 января 2019 г.

Принята к публикации 23 января 2019 г.

В этой работе представлено исследование влияния прослойки Pd на магнитные свойства гетеро-

структур Gd/Fe. Многослойная структура [Fe(3.5 нм)/Pd(1.2 нм)/Gd(5.0 нм)/Pd(1.2 нм)]12 была выра-

щена методом высоковакуумного распыления. Используя рефлектометрию поляризованных нейтронов,

мы наблюдали значительное увеличение интенсивности рассеяния нейтронов с переворотом спина в

магнитном поле выше 1.5 кЭ. Комбинированный анализ данных магнитометрии и рефлектометрии по-

ляризованных нейтронов позволил нам выяснить, что наблюдаемое увеличение рассеяния с переворотом

спина объясняется спин-флоп переходом. Несмотря на то, что спин-флоп переход уже был обнаружен в

системах Fe/Gd, в нашем случае использование Pd позволяет уменьшить магнитное поле перехода, что

позволит применить системы Fe/Pd/Gd в различных приложениях спинтроники.

DOI: 10.1134/S0370274X19060122

Магнитные неколлинеарные (НК) структуры -

годы [8-11, 17-19]. Известно, что из-за обменного

интересные объекты в различных областях спин-

взаимодействия магнитные моменты железа и га-

троники как элементы MRAM, основанной на ис-

долиния упорядочиваются антипараллельно. При

пользовании спинового вращательного момента [1]

низкой температуре выше определенного значения

или как источники триплетной сверхпроводимости

магнитного поля H_SFP возможен переход в суще-

в гетероструктурах ферромагнетик/сверхпроводник

ственно неколлинеарную спин- флоп фазу (СФФ).

[2-4]. Редкоземельные (РЗ) материалы и сверхрешет-

Интересно отметить, что в то время, как большин-

ки на их основе - одни из лучших кандидатов для

ство неколлинеарных состояний разрушается под

создания НК структур в силу ряда причин. Преж-

воздействием приложенного магнитного поля, обу-

де всего, неколлинеарные конфигурации, такие как

словленное спин-флопом НК состояние возникает

геликоиды или циклоиды, уже существуют во мно-

при приложении внешнего магнитного поля. Однако

гих объемных РЗ материалах, таких как гольмий и

недостаток систем Fe/Gd заключается в том, что

диспрозий. Можно существенно расширить многооб-

поле H_SFP составляет порядка Тесла и более, делая

разие магнитных фаз с помощью создания гетеро-

их трудными для технической реализации. Чтобы

структур, содержащих различные РЗ металлы [5-7].

уменьшить это поле, можно использовать немаг-

Другой интересный класс материалов - гетерострук-

нитную прослойку. Было предпринято несколько

туры на основе редкоземельных и переходных ме-

попыток с различными прослойками, такими как

таллов (ПМ). Здесь наблюдаются различные типы

Cr [20, 21], Pt [22] или Si [23], однако спин-флоп

эффектов близости ферромагнетик/ферромагнетик

фаза либо не наблюдалась, либо уменьшение маг-

[8-13] и ферромагнетик/сверхпроводник [14-16].

нитного поля было незначительным. В настоящей

Особый интерес представляет формирование

работе мы демонстрируем, каким образом при

неколлинеарного упорядочения в гетероструктурах

использовании прослойки Pd, H_SFP поле может

Fe/Gd. Системы Fe/Gd изучаются уже многие

быть в значительной степени понижено до области

H_SFP ∼ кЭ. Сверхрешетка номинальной композиции

[Fe(3.5 нм)/Pd(1.2 нм)/Gd(5.0 нм)/Pd(1.2 нм)]₁₂ была

¹⁾e-mail: nikolayantropovekb@gmail.com

408

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

Переход в магнитное неколлинеарное спин-флоп состояние в сверхрешетке Fe/Pd/Gd/Pd

409

выращена методом высоковакуумного магнетронно-

риментальная кривая хорошо описывается модель-

го распыления на монокристаллической подложке

ной структурой с толщинами, отличающимися от но-

Si(001) при комнатной температуре. Рост начинался

минальных значений не более 5 %, и среднеквадра-

с буферного слоя Cr (5 нм) с последующим напыле-

тичной шероховатостью межслойных границ поряд-

нием Fe и заканчивая Pd. Защитный слой Cr (3 нм)

ка одного монослоя.

нанесен на верхний слой Pd для защиты структуры

от окисления. Основное давление в камере составля-

ло 10^-8 Торр. Скорости роста поддерживались 1Å/с

для Gd, 0.5Å/с для Fe, 1.5Å/с для Pd, и 1Å/с для

Cr.

Структурная характеризация слоев и качества

межслойных границ проводилась с помощью рент-

геновской рефлектометрии (РР) на дифрактомет-

ре PANalytical Empyrean Series 2. В эксперимен-

те использовалось Co Kα излучение в геометрии

параллельного пучка. Параллельно падающий пу-

чок формировался W/Si параболическим зеркалом.

Высота пучка, ограниченного щелью, составляла

0.08 мм. На вторичном пучке использовался плоско-

параллельный коллиматор с экваториальной аперту-

рой 0.27^◦ в комбинации с плоским графитовым мо-

нохроматором и коллимирующей щелью с экватори-

альной апертурой 0.1 мм. На рисунке 1 представле-

на измеренная рефлектометрическая кривая. Мы на-

блюдали 15 порядков брэгговских пиков от сверхре-

шетки, что говорит о высоком качестве нашей систе-

мы.

Рис. 2. (Цветной онлайн) (а) - Температурная зависи-

мость магнитного момента на единицу объема. (b) -

Экспериментальная петля гистерезиса при T = 10 К.

На вставке рис.2b показана кривая в увеличенном мас-

штабе

Магнитометрические измерения были выполне-

ны на сверхпроводящем квантовом интерферометре

(СКВИД) в Институте физики металлов. В экспе-

рименте магнитное поле H было приложено в плос-

Рис. 1. (Цветной онлайн) Экспериментальные данные

кости образца. На рисунке 2 показаны температур-

(точки) и модель (красная линия) рентгеновской ре-

ные зависимости магнитных моментов, измеренные

флектометрии

при различных магнитных полях. Выше T ∼ 75 К

магнитный момент слабо зависит от температуры и

Обработка (фитирование) рефлектограмм про-

магнитного поля и составляет m ≈ 600 Гаусс. Ни-

водилось с использованием коммерческой програм-

же 75 К температурная зависимость магнитного мо-

мы PANalytical X’Pert Reflectivity. При обработке

мента становится немонотонной и сильно зависит от

мы рассматривали модель из двенадцати одинако-

приложенного поля. Также стоит отметить, что при

вых четырехслойных блоков [Fe/Pd/Gd/Pd]. Экспе-

T ≈ 48К возникает точка компенсации, аналогич-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

410

Н.О.Антропов, Ю.Н.Хайдуков, Е.А.Кравцов и др.

Рис. 3. (Цветной онлайн) Нейтронные рефлектометрические кривые, измеренные при = 10 К в магнитных полях

H = 100Э (а) и H = 2.5кЭ (b). На вставке рис.3а показаны абсолютные значения и углы наклона векторов на-

магниченности слоев Fe и Gd, полученные при обработке. На вставке рис. 3b показана полевая зависимость (+-)

канала на первом брэгговском пике

но наблюдаемой в похожих системах Fe/Gd [11] и

ний индекс обозначает проекцию спина нейтрона на

Fe/Cr/Gd [20, 21]. Температурная зависимость, при-

магнитное поле H до и после рассеяния. Ниже мы

веденная на рис.2а, демонстрирует сложное фер-

показываем только R^+- кривую, поскольку во всех

римагнитное упорядочение магнитных моментов Fe

измеренных данных мы наблюдали R^+- ≈ R^-+.

и Gd, по-видимому, направленных антипараллельно

Рефлектометрические кривые при H

= 100 Э

друг другу. Скорее всего, наличие сильного обмен-

приведены на рис. 3а. Как можно заметить, здесь

ного взаимодействия в сверхрешетках Fe/Pd/Gd че-

5 порядков брэгговского отражения с сильным рас-

рез толстую прослойку Pd в сравнении с Cr обуслов-

щеплением НСФ каналов, это доказывает нали-

лено особенностями Ферми поверхности Pd, а так-

чие коллинеарной компоненты намагниченности, на-

же может быть связано с наличием индуцированно-

правленной параллельно H. Одновременно мы на-

го магнитного момента в слоях Pd [24]. Можно по-

блюдали небольшой сигнал СФ, что говорит о на-

лагать, что значительное уменьшение T_C Gd возни-

личии неколлинеарной компоненты намагниченно-

кает из-за размерных эффектов, хорошо известных

сти. Экспериментальные кривые были обработаны

для тонких магнитных пленок. На рисунке 2b при-

с использованием программы GenX. При обработ-

ведена петля гистерезиса, измеренная при T = 10 K.

ке мы использовали толщины и среднеквадратич-

Можно заметить типичный для СФФ перехода изгиб

ные шероховатости, полученные из РР и варьиро-

при H ≈ 1.5 кЭ.

вали только абсолютные значения намагниченности

Для того, чтобы определить зависимости вектор-

(M_Gd;Fe) и угол наклона (α_Gd;Fe) вектора намагни-

ных профилей намагниченности от глубины до и по-

ченности относительно H (см. вставку на рис. 3а).

сле перехода, мы выполнили РПН эксперименты во

Наилучшее соответствие между моделью и экспери-

внешних магнитных полях H

≈ 100 Э (рис.3а) и

ментом было получено для M_Gd = 1.46 ± 0.1 кГс,

H ≈ 2.5кЭ (рис.3b). Эксперимент был проведен на

M_Fe = 1.1 ± 0.1 кГс, α_Gd = 20 ± 10^◦ и α_Fe = 165 ± 5^◦.

угловом дисперсионном рефлектометре NREX (дли-

Таким образом, при H = 100 Э магнитные момен-

на волны нейтронов 4.3Å) исследовательского ре-

ты M_Gd и M_Fe упорядочены почти антипараллель-

актора FRM-II (Гархинг, Германия). Внешнее маг-

но, подтверждая таким образом наличие антифер-

нитное поле H прикладывалось в плоскости образца

ромагнитного обменного взаимодействия магнитных

нормально к плоскости рассеяния. Используя транс-

моментов Fe и Gd через прослойку Pd.

миссионные поляризатор и анализатор с эффектив-

Когда магнитное поле достигает H = 2.5 кЭ, мы

ностью P_P = 99.99 % и P_A = 99.1 %, соответственно,

наблюдаем сильное увеличение интенсивности СФ

было измерено рассеяние без переворота спина ней-

рассеяния, что подтверждает увеличение неколли-

тронов (НСФ - Non spin flip) R⁺⁺ и R^-- и с перево-

неарности системы. На вставке на рис. 3b показана

ротом спина (СФ - Spin flip) R^+- и R^-+. Здесь верх-

полевая зависимость интенсивности рассеяния с пе-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019

Переход в магнитное неколлинеарное спин-флоп состояние в сверхрешетке Fe/Pd/Gd/Pd

411

реворотом спина на первом брэгговском пике, R^+-1B,

M. Eschrig, Phys. Today 64, 43 (2011).

причем наблюдается фазовый переход выше 1.5 кЭ

C. Klose, T. S. Khaire, Y. Wang, W. P. Pratt,

в согласии со СКВИД петлей гистерезиса. Мы смог-

N. O. Birge, B. J. McMorran, T. P. Ginley,

J. A. Borchers, B. J. Kirby, B. B. Maranville, and

ли описать этот переход с помощью поворота векто-

J. Unguris, Phys. Rev. Lett. 108, 127002 (2012).

ров намагниченности слоев Gd и Fe на углы α_Gd =

D. Lenk, R. Morari, V. I. Zdravkov, A. Ullrich,

= 60 ± 10^◦ и α_Fe = 93 ± 5^◦.

Y. Khaydukov, G. Obermeier, C. Müller,

Таким образом, согласно нашим результатам, при

A. S. Sidorenko, H.-A.K. von Nidda, S. Horn,

H < 1.5кЭ вектор M_Fe (M_Gd) параллелен (анти-

L. R. Tagirov, and R. Tidecks, Phys. Rev. B 96, 184521

параллелен) внешнему полю. Такая конфигурация

(2017).

обусловлена зеемановским взаимодействием, которое

C. Majkrzak, J. Kwo, M. Hong, Y. Yafet, D. Gibbs,

стремиться упорядочить разность магнитных момен-

C. Chien, and J. Bohr, Adv. Phys. 40, 99 (1991).

тов слоев Fe и Gd вдоль внешнего поля. Так как

S. V. Grigoriev, Y.O. Chetverikov, D. Lott, and

магнитный момент (произведение намагниченности

A. Schreyer, Phys. Rev. Lett. 100, 197203 (2008).

на объем слоя) Fe меньше, его вектор намагниченно-

N. O. Antropov, E. A. Kravtsov, Y. N. Khaidukov,

M. V. Ryabukhina, V. V. Proglyado, O. Weschke, and

сти поворачивается при малом поле антипараллель-

V. V. Ustinov, JETP Lett. 108, 341 (2018).

но внешнему полю. Выше 1.5 кЭ система испытыва-

N. Ishimatsu, H. Hashizume, S. Hamada, N. Hosoito,

ет переход в существенно неколлинеарное магнитное

C. S. Nelson, C. T. Venkataraman, G. Srajer, and

состояние.

J. C. Lang, Phys. Rev. B 60, 9596 (1999).

Подводя итог, в данной работе мы показа-

D. Haskel, G. Srajer, J. C. Lang, J. Pollmann,

ли, каким образом использование прослойки

C. S. Nelson, J. S. Jiang, and S. D. Bader, Phys. Rev.

Pd(1.2 нм) позволяет уменьшить поле спин-

Lett. 87, 207201 (2001).

флоп перехода до H_SFP

= 1.5 кЭ в структуре

10.

Y. Choi, D. Haskel, R. E. Camley, D. R. Lee, J. C. Lang,

[Fe(3.5 нм)/Pd(1.2 нм)/Gd(5.0 нм)/Pd(1.2 нм)]₁₂.

G. Srajer, J. S. Jiang, and S. D. Bader, Phys. Rev. B 70,

Используя рефлектометрию поляризованных ней-

134420 (2004).

тронов, мы наблюдали

20-кратное увеличение

11.

E. Kravtsov, D. Haskel, S. G. E. te Velthuis, J. S. Jiang,

and B. J. Kirby, Phys. Rev. B 79, 134438 (2009).

рассеяния нейтронов с переворотом спина при тем-

12.

P. N. Lapa, J. Ding, J. E. Pearson, V. Novosad,

пературе на 10 К выше H_SFP, что прямо указывает

J. S. Jiang, and A. Hoffmann, Phys. Rev. B 96, 024418

на переход в существенно неколлинеарное магнитное

(2017).

состояние. Наши исследования могут быть полезны

13.

T. D. C. Higgs, S. Bonetti, H. Ohldag, N. Banerjee,

в низкотемпературных приложениях спинтроники с

X. L. Wang, A.J. Rosenberg, Z. Cai, J. H. Zhao,

неколлинеарными магнитными структурами.

K. A. Moler, and J. W. A. Robinson, Sci. Rep. 6, 30092

Эта работа частично основана на эксперимен-

(2016).

тах, выполненных на инструменте NREX на ре-

14.

J. W. A. Robinson, J. D. S. Witt, and M. G. Blamire,

акторе FRM2 в Центре Хайнца Майера-Лейбница

Science 329, 59 (2010).

(MLZ - Maier-Leibnitz Zentrum) (Гархинг, Герма-

15.

Y. Gu, J. W. A. Robinson, M. Bianchetti,

ния), эксплуатируемом Институтом Макса План-

N. A. Stelmashenko, D. Astill, F. M. Grosche,

J. L. MacManus-Driscoll, and M. G. Blamire, APL

ка (Штутгарт, Германия), при поддержке Немец-

Materials 2, 046103 (2014).

кого научно-исследовательского общества (DFG -

16.

Y. N. Khaydukov, A.S. Vasenko, E. A. Kravtsov,

Deutsche Forschungsgemeinschaft) коллективного ис-

V. V. Progliado, V. D. Zhaketov, A. Csik,

следовательского центра TRR 80.

Y. V. Nikitenko, A. V. Petrenko, T. Keller,

Рентгеновская дифракция и СКВИД измерения

A. A. Golubov, M. Y. Kupriyanov, V. V. Ustinov,

выполнены в центре коллективного пользования Ин-

V. L. Aksenov, and B. Keimer, Phys. Rev. B 97, 144511

ститута физики металлов Уральского отделения Рос-

(2018).

сийской академии наук.

17.

K. Takanashi, Y. Kamiguchi, H. Fujimori, and

Результаты получены при поддержке Министер-

M. Motokawa, J. Phys. Soc. Jpn. 61, 3721 (1992).

ства науки России (проект “Спин”

# АААА-А18-

18.

S. A. Montoya, S. Couture, J. J. Chess, J. C. T. Lee,

N. Kent, D. Henze, S.K. Sinha, M.-Y. Im, S.D. Kevan,

118020290104-2) и частичной поддержки Российско-

P. Fischer, B. J. McMorran, V. Lomakin, S. Roy, and

го Фонда Фундаментальных Исследований (проект

E. E. Fullerton, Phys. Rev. B 95, 224415 (2017).

#18-32-00197 и 19-02-00674).

19.

S. A. Montoya, S. Couture, J. J. Chess, J. C. T. Lee,

N. Kent, M.-Y. Im, S.D. Kevan, P. Fischer, B. J. Mc-

1. D. Ralph and M. Stiles, J. Magn. Magn. Mater. 320,

Morran, S. Roy, V. Lomakin, and E. E. Fullerton, Phys.

1190 (2008).

Rev. B 95, 224405 (2017).

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 5 - 6

2019