Движение доменных стенок под воздействием электрического тока
является ключевым процессом в спинтронике, так как позволяет управлять
магнитной конфигурацией в наноструктурах без применения внешнего
магнитного поля. Этот эффект лежит в основе работы современных магнитных
запоминающих устройств, таких как MRAM и спинтрансисторы.
Спин-управляемый
перенос момента (Spin Transfer Torque, STT)
Spin Transfer Torque (STT) — это основной механизм,
через который электрический ток может вызывать движение доменных стенок.
Принцип действия основан на переносе спинового момента электронов на
локальные магнитные моменты в стенке:
- Поляризация тока: электрический ток, проходя через
магнитный слой, приобретает определённую спиновую поляризацию.
- Взаимодействие со стенкой: когда поляризованные
электроны сталкиваются с доменной стенкой, происходит передача спинового
момента от носителей заряда к локальным спинам.
- Сдвиг стенки: перенос спинового момента приводит к
механизму вращения спинов внутри стенки и её постепенному смещению вдоль
направления тока.
STT особенно эффективен в узких нанопроводах, где
стенка ограничена в поперечном направлении, и эффект локальной передачи
момента максимален.
Эффект
скользящего спинового тока (Spin-Orbit Torque, SOT)
Spin-Orbit Torque (SOT) проявляется в системах с
сильной спин–орбитальной взаимодействием, например, на границе
ферромагнитного слоя с тяжелым металлом:
- Ток, проходящий в тяжелом металле, создаёт вертикальный
спиновый ток, который взаимодействует с магнитной стенкой.
- Направление движения стенки можно контролировать с помощью
ориентации тока и внешнего смещения спина.
- SOT позволяет разделить электрический ток и перенос
магнитного момента, что снижает тепловые потери и повышает
скорость движения стенок.
Влияние геометрии и
конфигурации стенки
Тип стенки и ширина проводника сильно влияют на
кинетику движения:
- Нильссеновская (Neel) стенка в узких полосках
склонна двигаться под действием STT быстрее, чем Блоховская
(Bloch) стенка, из-за меньшей энергии вращения спинов в
плоскости.
- Широкие полоски создают дополнительные
энергетические барьеры из-за неоднородного распределения обменного и
анизотропного поля, что замедляет движение стенки.
- Двумерные эффекты: в тонких пленках могут возникать
локальные изгибы стенок, которые взаимодействуют с дефектами
кристаллической решётки, создавая эффекты пиннинга.
Пиннинг и депиннинг
доменных стенок
Пиннинг — это процесс остановки движения стенки на
дефектах или неоднородностях материала.
- Слабый пиннинг: стенка преодолевает барьеры при
низких токах, сохраняя относительно линейную зависимость скорости от
силы тока.
- Сильный пиннинг: требует сверхкритических токов для
депиннинга, что может вызывать локальное нагревание и нестабильность
конфигурации.
- Пиннинг можно контролировать путем инжекции
дефектов, изменения состава материала или наложения внешнего
магнитного поля, создавая управляемые каналы движения стенок.
Скорость движения и
динамические режимы
Скорость доменной стенки под действием тока определяется несколькими
параметрами:
- Интенсивность тока: линейное увеличение скорости
при малых токах, переход в нелинейный режим при сильной
поляризации.
- Тип стенки и спиновой диффузии: стены с высокой
спиновой жесткостью демонстрируют меньшую скорость при одинаковом токе,
но более стабильное движение.
- Температурные эффекты: повышение температуры
снижает пиннинг и может повышать скорость, однако вызывает рассеяние
спинового потока.
Существуют два динамических режима движения:
- Координатное смещение (steady-state motion) —
стенка движется плавно с постоянной скоростью.
- Волновой или качающийся режим (precessional motion)
— при превышении критического тока спины начинают вращаться с
преобладающей прецессией, что может приводить к нестабильным скачкам и
периодическому торможению стенки.
Влияние материала и
интерфейсов
- Ферромагнетики с низкой анизотропией обеспечивают
более легкое движение стенок, но с меньшей стабильностью.
- Многослойные структуры (FM/NM/FM) позволяют
управлять током и спиновой поляризацией через интерфейсные эффекты,
такие как интерфейсный спин-орбитальный эффект и Dzyaloshinskii-Moriya
Interaction (DMI), что стабилизирует движения стенки в одном
направлении.
Применение и перспективы
Контролируемое движение доменных стенок под током открывает путь к
новым типам памяти и логических устройств:
- Racetrack Memory: использование вертикальных и
горизонтальных стенок для хранения данных с высокой плотностью.
- Спинтронические логические элементы: быстрый
перенос доменных стенок позволяет реализовать переключатели и элементы
вычислений с минимальным энергопотреблением.
- Наномагнитные сенсоры: движение стенок используется
для чувствительных детекторов поля и тока на наноуровне.
Эти подходы продолжают активно развиваться, и глубокое понимание
механики движения доменных стенок является ключом к созданию следующего
поколения высокоскоростных и энергоэффективных спинтронических
устройств.