Доменные стенки — это переходные области между
магнитными доменами с различной ориентацией спина в ферромагнитных
материалах. Их изучение критично для спинтроники, поскольку именно через
них осуществляется контроль над спиновым током, магнитной памятью и
логикой на основе спина.
Классификация доменных
стенок
В зависимости от способа изменения направления намагниченности внутри
стенки, различают два основных типа: Блоховские (Bloch)
и Неелевские (Néel) стенки.
- Блоховская стенка характеризуется вращением спина
перпендикулярно плоскости стенки. При этом магнитный момент изменяется
вдоль оси, параллельной поверхности домена, но не вызывает значительного
появления магнитного заряда на границе.
- Неелевская стенка отличается тем, что вращение
спина происходит в плоскости стенки, что приводит к формированию
поверхностных магнитных зарядов и сильной зависимости от тонкости пленки
и магнитоэнергетических условий.
Микроскопическая
структура и ширина стенки
Магнитная энергия доменной стенки складывается из
двух основных вкладов:
- Энергия обмена, стремящаяся выровнять соседние
спины;
- Энергия магнитной анизотропии, ориентирующая спины
вдоль легкой оси.
Ширина стенки δ
определяется балансом этих энергий и выражается как:
$$
\delta \sim \sqrt{\frac{A}{K}}
$$
где A — константа обмена,
K — константа магнитной
анизотропии. Для Блоховской стенки преобладает вращение спинов в
плоскости перпендикулярной к оси намагниченности, тогда как для
Неелевской — в плоскости самой стенки.
Энергетические особенности
Блоховские стенки обладают меньшей поверхностной
энергией в объемных материалах, так как они минимизируют магнитные
заряды на поверхности. Их энергия примерно равна:
$$
\sigma_B \sim 4 \sqrt{A K}
$$
Неелевские стенки характерны для тонких пленок, где
демагнитная энергия приводит к стабилизации плоскостного вращения
спинов:
σN ∼ σB + μ0Ms2t
где Ms
— намагниченность насыщения, t
— толщина пленки.
Динамика и движение стенок
Движение доменных стенок критично для работы спинтронных устройств,
таких как магнитные рандомные запоминающие устройства
(MRAM) и спинтранзисторы.
- Под действием магнитного поля: стенка сдвигается
вдоль поля. Для Блоховских стенок критическая скорость определяется
балансом сил Лоренца на спины и сил демагнитного поля.
- Под действием спинового тока (spin-transfer
torque): стенки движутся без внешнего магнитного поля. Это
основа современных концепций спинтронной логики.
- Влияние дефектов и примесей: стенки могут
“прилипать” к дефектам кристаллической решетки, что снижает их
подвижность и вызывает гистерезисные эффекты.
Влияние геометрии и толщины
пленок
Толщина пленки — ключевой параметр, определяющий тип
доменной стенки:
- Для толстых объемных образцов преобладают
Блоховские стенки.
- Для тонких пленок (<100 нм) стабилизируются
Неелевские стенки из-за возрастания демагнитной энергии, связанной с
поверхностными магнитными зарядами.
Ширина стенки также изменяется с толщиной пленки и
может варьироваться от нескольких нанометров до десятков нанометров, что
критично для масштабирования спинтронных элементов.
Взаимодействие с
внешними воздействиями
- Электрический ток: индуцирует перенос спинового
момента, что вызывает дрейф стенки.
- Температура: повышение температуры уменьшает
константу анизотропии K,
увеличивая ширину стенки и снижая ее устойчивость.
- Напряжение и механические деформации: через
магнитоэлектрические эффекты могут изменять ориентацию спинов и тип
стенки.
Применение в спинтронике
- MRAM: перемещение доменных стенок позволяет
записывать и считывать информацию без внешнего магнитного поля.
- Логические устройства на основе спина:
контролируемое движение стенок обеспечивает вычислительные
операции.
- Магнитные сенсоры и детекторы: изменения
сопротивления при прохождении стенки через узкую наноструктуру
используются для детектирования магнитных сигналов.
Контроль типа и ширины доменной стенки позволяет оптимизировать
эффективность передачи спинового тока, минимизировать энергопотребление
и увеличить скорость работы спинтронных элементов.