Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, T. 506, № 2, стр. 52-55

Микроволновой гигантский магниторезистивный эффект (μGMR) успешно используется для исследования металлических наноструктур. Этот эффект в отражении микроволн был обнаружен в работе [1] и в последующих работах был подробно изучен [2–4]. В этих работах было установлено, что зависимость модуля коэффициента отражения от магнитного поля подобна относительному магнитосопротивлению, измеренному на постоянном токе, но имеет противоположный знак. Величина μGMR в отражении значительно меньше, чем относительное магнитосопротивление [5]. Одна из причин этого заключается в том, что модуль коэффициента отражения от металлической сверхрешетки достаточно велик. Максимальный коэффициент отражения не может превышать единицы, и при наложении внешнего магнитного поля он возрастает из-за увеличения проводимости. В этом сообщении рассмотрена возможность использовать эффект невзаимности для увеличения μGMR. Невзаимность при распространении волн хорошо известна в оптике [6]. Невзаимные оптические эффекты во внешнем магнитном поле рассмотрены в [7]. Невзаимность при распространении волн в материальной среде может проявляться в амплитуде, фазе или поляризации волны. В диапазоне микроволн на поляризационной невзаимности основано действие вентиля на эффекте Фарадея [8]. Невзаимность может проявляться в отсутствие симметрии в эффективности возбуждения спиновых волн полосковой антенной [9]. Смена направления магнитного поля приводит к смене направления более эффективного возбуждения спиновой волны на противоположное. В работах [10, 11] были достигнуты уменьшение затухания спиновых волн и усиление эффекта невзаимности.

В данной работе исследуется невзаимность в распространении и отражении микроволн от системы металлическая сверхрешетка/диэлектрическая подложка. Идея увеличения μGMR состоит в том, чтобы осуществить падение волны сначала на диэлектрическую подложку, чтобы уменьшить коэффициент отражения, а толщину подложки выбрать такой, чтобы в ней было возможно образование стоячих волн при кратности ее толщины четвертьволновой пластине. Эксперименты выполнены со сверхрешетками (CoFe)/Cu, выращенными на подложке из стекла. Микроволновые эксперименты проведены в интервале частот от 26 до 38 ГГц.

Образцы сверхрешеток выращены ме-тодом  магнетронного распыления на установке MPS-4000-C6. Состав сверхрешетки и толщины      слоев выражаются формулой Ta(3)/[Co₉₀Fe₁₀(1.5)/Cu(0.9)]₆/PyCr(5)/glass. Толщины слоев в нанометрах указаны в круглых скобках. У квадратных скобок указано число пар слоев – 6. Сверхрешетка выращена из слоев сплава Co₉₀Fe₁₀ с прослойками из меди. Толщина слоев меди выбрана из условия обеспечения антипараллельного упорядочения соседних слоев Co₉₀Fe₁₀. Такие сверхрешетки обладают очень высоким магнитосопротивлением [5]. Сверхрешетки выращены на подложке из стекла Corning толщиной 0.5 мм. Между подложкой и сверхрешеткой находится буферный слой PyCr – (Ni₈₀Fe₂₀)₆₀Cr₄₀ из сплава пермаллой-хром. У одного из образцов к подложке приклеено еще 7 слоев из того же стекла, так что суммарная толщина диэлектрика составляла 4 мм. Относительное магнитосопротивление образцов

ρ(H) = = $\tfrac{{r(H) - r(0)}}{{r(0)}} \cdot 100\% $,

где r(H) – сопротивление в поле H, r(0) – сопротивление при H = 0, это функция магнитного поля с полем насыщения около 10.5 кЭ. Величина магнитосопротивления в насыщении составляет 34%.

Микроволновые измерения выполнены в интервале частот 26–38 ГГц по методике, описанной в [3, 5]. Образец помещался в поперечное сечение прямоугольного волновода, полностью его перекрывая. Коэффициент отражения микроволн R и его зависимость от магнитного поля измерялись с помощью панорамного измерителя амплитудно-частотных характеристик. Магнитное поле прикладывалось в плоскости сверхрешетки перпендикулярно направлению распространения волн. Относительные изменения модуля коэффициента отражения в магнитном поле характеризуются параметром

Рассматривались два варианта падения волны на образец:

1. Волна сначала падает на металл сверхрешетки, это вариант GMS (генератор–металл–подложка);

2. Волна падает сначала на подложку, это вариант GSM (генератор–подложка–металл). Результаты измерений для образца с подложкой толщиной 4 мм в случае GSM показаны на рис. 1.

Рис. 1.

Относительные изменения модуля коэффициента отражения в магнитном поле. Толщина подложки 4 мм, вариант падения волны GSM.

Изменения коэффициента отражения, показанные на рис. 1, значительно превышают значения, измеренные ранее [2–5]. Отличие условий эксперимента, показанного на рис. 1, от цитированных работ состоит в том, что волна падает сначала на диэлектрическую подложку. Кроме этого, использована подложка большой толщины 4 мм. Изменения коэффициента отражения в магнитном поле вызваны эффектом μGMR. Особенно большие изменения зафиксированы на частоте f = 27 ГГц, где они в насыщении достигают 44%. Заметим, что на частоте 27 ГГц выполняется условие четвертьволновой пластины, т.е. толщина подложки d_s = 3λ/4, где λ – длина волны. На частотах, значительно отличающихся от 27 ГГц, величина изменений оказывается меньше.

На рис. 2 показаны результаты измерения коэффициентов отражения для двух образцов с толщинами подложек 4 мм (а) и 0.5 мм (б). Эффект μGMR наблюдается во всех вариантах, но его величина различна. Поле насыщения μGMR во всех случаях составляет 10–11 кЭ. Заполненными символами на рис. 2 показан вариант GMS, а незаполненными – вариант GSM. Если сравнивать величину изменений R между нулевым полем и насыщением, то на любой выбранной частоте величина изменений для образца с подложкой 4 мм больше, чем с подложкой 0.5 мм. Можно отметить также, что величина изменений для одного и того же образца для варианта GSM больше, чем для варианта GMS. Это является свидетельством невзаимности в отражении волн от системы (сверхрешетка/подложка). Эффект невзаимности присутствует и без магнитного поля. Например, из рис. 2а видно, что коэффициент отражения при H = 0 на частоте 27 ГГц в варианте GSM составляет ~0.18, а в варианте GMS ~ 0.83. В магнитном поле для этого же образца на частоте 27 ГГц максимальная величина изменений коэффициента отражения в магнитном поле составляет 44% в варианте GSM и 2.4% в варианте GMS. Невзаимность для образца с подложкой 0.5 мм проявляется значительно слабее.

Рис. 2.

Зависимости коэффициента отражения по мощности от магнитного поля, измеренные на нескольких частотах миллиметрового диапазона при толщине подложки 4 мм (а) и 0.5 мм (б). Символьные обозначения одинаковы для обоих рисунков.

Выполним расчет коэффициента отражения. Комплексный коэффициент отражения $\dot {R}$ для системы из двух слоев может быть рассчитан, используя формулы, приведенные в [12]:

В формулах (1), (2) ${{\varphi }_{j}} = {{k}_{j}}{{d}_{j}}$ – комплексная фаза слоя с номером j, ${{d}_{j}}$ – толщина этого слоя, а Z_j – импеданс j-го слоя. Мы полагаем, что слева и справа от системы сверхрешетка/подложка находится вакуум с импедансом ${{Z}_{1}} = \sqrt {\frac{{{{\mu }_{0}}}}{{{{\varepsilon }_{0}}}}} $ и волновым числом ${{k}_{1}} = \frac{\omega }{c}$. Диэлектрическая подложка (среда 3) – диэлектрик с относительной магнитной проницаемостью ${{\mu }_{3}} = 1$ и диэлектрической проницаемостью ${{\varepsilon }_{3}} = \varepsilon _{3}^{'} - i\varepsilon _{3}^{{''}}$. Этим материальным параметрам соответствует комплексное волновое число ${{k}_{3}} = k_{3}^{'} - ik_{3}^{{''}}$, $k_{3}^{'} = \frac{\omega }{c}\sqrt {{{\varepsilon }_{3}}} $, $k_{2}^{{''}} = \frac{\omega }{c}\sqrt {\frac{{\left| {{{\varepsilon }_{3}}} \right| - \varepsilon _{3}^{'}}}{2}} $. Среда 2 – это металлическая сверхрешетка с эффективной диэлектрической проницаемостью ${{\varepsilon }_{{ef{{f}_{2}}}}}$ = $\varepsilon _{{ef{{f}_{2}}}}^{'} - i\varepsilon _{{ef{{f}_{2}}}}^{{''}}$ и эффективной магнитной проницаемостью ${{\mu }_{{ef{{f}_{2}}}}} = \mu _{{ef{{f}_{2}}}}^{'} - i\mu _{{ef{{f}_{2}}}}^{{''}}$. Импеданс этой среды – Z₂ = $\sqrt {\frac{{{{\mu }_{0}}{{\mu }_{{ef{{f}_{2}}}}}}}{{{{\varepsilon }_{0}}{{\varepsilon }_{{ef{{f}_{2}}}}}}}} $, а волновое число рассчитывается по формулам [13]:

Если направление распространения волны изменяется на противоположное, то выражение (1) для коэффициента отражения примет вид

Из сравнения формул (1) и (4) можно заключить, что при наличии потерь, т.е. при комплексных значениях импедансов, смена направления распространения падающей волны на противоположное приводит к изменению комплексного коэффициента отражения $\dot {R}$, т.е. к амплитудной невзаимности. Расчет полевой зависимости коэффициента отражения выполнен для пластины с суммарной толщиной металлических слоев d = = 22.4 нм, как у образца сверхрешетки, с эффективной проводимостью при H = 0  σ = 2.07 × 10⁶ См/м и таким же относительным магнитосопротивлением, как у образца сверхрешетки. Параметры подложки d_s = 4 мм, диэлектрическая проницаемость ε_s = 5. Результат расчета показан на рис. 3. Заполненными символами на рис. 3 показан вариант GMS, а незаполненными – вариант GSM. Расчет показывает, что коэффициент отражения в варианте GMS изменяется значительно меньше, чем в варианте GSM. Сравнивая результаты расчета с экспериментом на рис. 2а, можно отметить, что присутствует не только качественное подобие, но и приближенное количественное соответствие.

Рис. 3.

Рассчитанные зависимости коэффициента отражения от магнитного поля для образца с подложкой толщиной 4 мм.

Проведенные экспериментальные исследования и расчеты показали, что при отражении микроволн от системы (сверхрешетка/подложка) наблюдается невзаимность. Невзаимность присутствует как при отсутствии внешнего магнитного поля, так и в магнитном поле, в условиях реализации эффекта μGMR. Присутствие невзаимности для образца сверхрешетки с подложкой толщиной 4 мм привело к очень значительному, в несколько раз, увеличению μGMR эффекта в отражении в конфигурации, когда волна сначала падает на диэлектрическую подложку, а потом на металлическую сверхрешетку. Усилению μGMR способствует выполнение условия, когда толщина подложки кратна толщине четвертьволновой пластины.