Хиральная спин-орбитроника наногетероструктур на основе металлических гелимагнетиков

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-22-00220

НазваниеХиральная спин-орбитроника наногетероструктур на основе металлических гелимагнетиков

Руководитель Устинов Владимир Васильевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-207 - Магнитные явления

Ключевые слова магнетизм, гелимагнетики, магнитные наноструктуры, спинтроника, спин-орбитроника, спиновый эффект Холла, спиновый ток, перенос спинового момента

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Спин-орбитроника – новейшая ветвь спинтроники, активно развивающаяся в настоящее время в ведущих мировых научных центрах. Термин «спин-орбитроника» появился в названиях научных статей по спинтронике в 2013 году. Происхождение этого термина связано с существованием в проводящих твердых телах особого релятивистского взаимодействия спинового момента и орбитального углового момента электронов проводимости. Спин-орбитальная связь (Spin-Orbit Coupling, далее SOC) может продуцировать в проводящем твердом теле спиновую поляризацию электронов проводимости в отсутствие в нем какого-либо магнитного упорядочения. Явление, в котором спин-орбитальная связь проявляется наиболее ярко – это спиновый эффект Холла (Spin Hall Effect, далее SHE). Спиновый эффект Холла наблюдается, в отличие от «обычного» эффекта Холла, в отсутствие какого-либо внешнего магнитного поля и проявляется в том, что электрический ток в проводнике, текущий в произвольном направлении, вызывает появление поперечного чисто-спинового тока. Под чисто-спиновым током понимается спиновый ток, который не сопровождается макроскопическим переносом электрического заряда. Чисто-спиновый ток, порожденный в условиях SHE, переносит спиновый момент точно также, как это делает спин-поляризованный электрический ток в ферромагнитных металлах. В наноструктурах, состоящих из двух слоев ферромагнетика (далее - FM), разделенных прослойкой из немагнитного материала (далее - NM), обменное взаимодействие электронов проводимости и локализованных электронов, обеспечивающих ферромагнитное упорядочение в слоях FM1 и FM2, вызывает поляризацию электронов проводимости. При протекании поляризованного в слое FM1 электрического тока по слою FM2 переносимый электрическим током спиновый момент в силу действия закона сохранения момента импульса может передаваться в слой FM2, изменяя при этом направление вектора магнитного момента слоя FM2. Эффект передачи спинового момента (Spin Transfer Torque, далее - STT) при протекании спин-поляризованного электрического тока в системе ферромагнитных слоев был открыт Дж. Слончевски и, независимо, Л. Бергером в 1996 году. Открытие эффекта STT привело к созданию принципиально новых спинтронных устройств для записи информации на магнитных носителях, в которых управление магнитным состоянием отдельных слоев наноструктуры осуществляется не внешним магнитным полем, но непосредственно электрическим током, протекающим через ее слои. Как уже было отмечено выше, спиновая поляризация электронов проводимости под действием SOC может быть реализована и в немагнитном проводящем материале NМ. Спиновый момент, порожденный SOC в условиях SHE и переносимый чисто-спиновым током, может передаваться в магнитную подсистему магнитоупорядоченного слоя, соседствующего со слоем NМ. Такой эффект получил в англоязычной литературе специальное название «Spin-Orbit Torque», далее SOT. Ветвь спинтроники, изучающая процессы SOT в наноструктурах из слоев с различным типом магнитного упорядочения, и получила название «спин-орбитроника». Передача спинового момента посредством SOT может происходить как в ферромагнитные слои, так и в слои с любым другим типом магнитного упорядочения: антиферромагнитные, ферримагнитные, и т.п. Соответственно этому появились подразделы спин-орбитроники: антиферромагнитная спин-орбитроника, ферримагнитная спин-орбитроника, оксидная спин-орбитроника, топологическая спин-орбитроника и т.д. В предлагаемом проекте с названием «Хиральная спин-орбитроника наногетероструктур на основе металлических гелимагнетиков» предполагается реализовать создание и исследование наноструктур, содержащих слои хиральных металлических гелимагнетиков диспрозия (Dy) и гольмия (Ho). Для наблюдения эффектов, обусловленных SOT, необходимо использование слоев немагнитного металла, в которых SOС достаточно сильна. Такими свойствами обладают «тяжелые» металлы - элементы таблицы Менделеева с большим атомным номером (Heavy Metals, далее HM). Поэтому в качестве немагнитных слоев с сильной SOС в настоящем проекте будут использованы тяжелые металлы: платина (Pt) и тантал (Ta). Хиральный гелимагнетик (Chiral Helimagnet, далее ChHM) имеет магнитный порядок, который характеризуется направлением оси магнитной спирали гелимагнетика и направлением «закручивания» спирали, т.е. хиральностью. Хиральная симметрия гелимагнетика позволяет ожидать, что действие спинового тока в условиях SOT заставит магнитную систему гелимагнетика вращаться. Частота вращения магнитной спирали гелимагнетика в наноструктуре, содержащей ChHM, будет определяться непосредственно величиной чисто-спинового тока, инжектируемого в слой ChHM из слоя HM, а направление вращения – хиральностью ChHM. Регистрацию возможных процессов вращения магнитной спирали гелимагнетика предполагается реализовать путем измерения величины аномального эффекта Холла в наноструктуре HM/ChHM, который должен иметь место для слоя гелимагнетика конечной толщины, обладающего нескомпенсированным магнитным моментом. Для интуитивного понимания существа процессов в системе HM/ChHM можно провести достаточно простую и наивную аналогию между вращением магнитной спирали под действием спинового тока и вращением крыльев древней ветряной мельницы или современного ветряного двигателя под действием обычного ветра. В предлагаемой нами для исследования наноструктуре типа HM/ChHM слой HM будет создавать «спиновый ветер», который, проникнув в слой ChHM, будет «дуть» на «магнитные крылья» слоя ChHM и вращать их. Вращение магнитной спирали гелимагнетика под действием SOT автоматически приведет к генерации наноструктурой электромагнитного излучения. Таким образом, предлагаемые для исследования в настоящем проекте наноструктуры типа HM/ChHM, построенные из «тяжелого» металла HM с сильной спин-орбитальной связью и гелимагнитного металла ChHM, могут стать эффективными генераторами электромагнитного излучения с перестраиваемой частотой, задаваемой электрическим током, текущим в плоскости наноструктуры. Проект предусматривает как теоретические исследования эффекта SOT в обозначенных выше наноструктурах, так и экспериментальные работы по синтезу наноструктур типа HM/ChHM и исследованию в них явлений спинового транспорта, обусловленных спин-орбитальным взаимодействием. Предполагается изучение эффектов SOT как в отдельных нанослоях Dy и Ho, так и в наноструктурах на основе композиций Pt/Dy, Pt/Ho, Ta/Dy, Ta/Ho.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Устинов В. В., Ясюлевич И. А. Chirality-dependent spin-transfer torque and current-induced spin rotation in helimagnets Physical Review B, Vol. 106, Issue 6, p. 064417 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.106.064417

2. Наумова Л. И., Заворницын Р. С., Миляев М. А., Макарова М. В., Проглядо В. В., Русалина А. С., Устинов В. В. The magnetotransport properties of spin valves based on exchange-coupled Dy helimagnetic and Co90Fe10 ferromagnetic nanolayers Physics of Metals and Metallography, Vol. 123, No. 10, pp. 1011–1019 (год публикации - 2022)
10.1134/S0031918X22600932

3. Устинов В. В., Ясюлевич И. A., Бебенин Н. Г. Chiral spin-orbitronics of helimagnet – normal metal heterojunction Physics of Metals and Metallography, Vol. 124, No. 2, pp. 195–204 (год публикации - 2023)
10.1134/S0031918X22601895

4. Ясюлевич И. A., Бебенин Н. Г., Устинов В. В. Injection of pure spin current into helimagnet Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 136, No. 4, pp. 509–518 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063776123040143

5. Устинов В.В., Ясюлевич И.А. Spin transfer torque and nonlinear quantum electron transport in chiral helimagnets Journal Of Experimental And Theoretical Physics, V. 137. – № 4. – P. 422–431. (год публикации - 2023)
10.1134/S1063776123100126

6. Наумова Л.И., Бебенин Н.Г., Заворницын Р.С., Миляев М.А., Максимова И.К., Проглядо В.В., Устинов В.В. Longitudinal magnetoresistance of Ta/Dy/Ta nanostructures Physics of Metals and Metallography (год публикации - 2023)

7. Устинов В.В., Ясюлевич И.А., Бебенин Н.Г. Playing pure spin current in helimagnets: toward chiral spin-orbitronics Physics of Metals and Metallography (год публикации - 2023)

8. Устинов В.В., Наумова Л.И., Заворницын Р.С., Ясюлевич И.А., Максимова И.К., Криницина Т.П., Павлова А.Ю., Проглядо В.В., Миляев М.А. Spin-orbit coupling mediated size effects in magnetoresistance of Ta nanolayers Journal Of Experimental And Theoretical Physics (год публикации - 2024)

Публикации