Магнитные домены представляют собой области внутри ферромагнитных или ферримагнитных материалов, в которых атомные магнитные моменты упорядочены параллельно друг другу. Образование доменной структуры является результатом стремления системы минимизировать свободную энергию, учитывающую энергию обменного взаимодействия, анизотропию кристаллической решётки, энергию магнитостатического взаимодействия и поверхностные эффекты.
Размеры доменов варьируются от нескольких нанометров до микрометров в зависимости от материала, температуры и внешних воздействий. Изучение их пространственной конфигурации и динамики является ключевым для понимания механизмов магнитного переключения, процессов записи и хранения информации, а также для проектирования спинтронных устройств.
Синхротронное излучение обладает уникальными характеристиками — высокой яркостью, узкой коллимацией, широким спектральным диапазоном и возможностью управляемой поляризации. Эти свойства делают его исключительно эффективным инструментом для изучения магнитной структуры на микро- и наноуровне. Особенно важна возможность использования круговой и линейной поляризации, что позволяет реализовывать методы рентгеновского магнитного дихроизма (XMCD, XMLD), чувствительные к направлению магнитных моментов.
1. Рентгеновская магнитная микроскопия Фотоэмиссионная электронная микроскопия (PEEM), совмещённая с синхротронным излучением, является одним из основных методов. При освещении образца монохроматическим рентгеновским пучком, настроенным на края поглощения определённых элементов, возбуждаются фотоэлектроны, выходящие с поверхности. Их распределение несёт информацию о локальной магнитной намагниченности.
Использование XMCD-контраста позволяет различать домены с противоположной ориентацией магнитных моментов. Современные установки достигают пространственного разрешения порядка 20–30 нм, что делает возможным прямое наблюдение нанодоменов.
2. Рентгеновская когерентная дифракционная визуализация (X-ray Coherent Diffractive Imaging, CDI) В данном методе когерентный рентгеновский пучок рассеивается на магнитной структуре образца. Анализ дифракционных картин и их фазовой реконструкции позволяет восстановить распределение магнитных моментов с пространственным разрешением вплоть до 10 нм. CDI открывает возможность трёхмерной реконструкции магнитных доменов и исследования их внутренней морфологии.
3. Рентгеновская спектроскопия магнитного дихроизма Методы XMCD и XMLD применяются для количественного анализа ориентации и величины магнитных моментов. Они позволяют избирательно исследовать вклад различных элементов и орбиталей в магнитные свойства, что особенно важно для многослойных гетероструктур и сплавов, где разные компоненты играют различную роль.
4. Томография на основе рентгеновского дихроизма Трёхмерное картирование магнитных доменов реализуется с помощью рентгеновской томографии, в которой используются дихроичные контрасты. Этот метод позволяет не только фиксировать распределение магнитных моментов, но и прослеживать их ориентацию в объёме материала.
5. Временные методы (Time-Resolved XMCD и PEEM) Использование пучков с фемтосекундной длительностью импульсов, доступных на современных источниках, позволяет исследовать динамику процессов переключения магнитных доменов. Это критически важно для понимания быстродействия магнитных носителей информации и механизмов ультрабыстрой спиновой динамики.
Синхротронные методы дают возможность отслеживать эволюцию доменов под действием внешних полей, тока или температурных воздействий. Например:
Знание о доменной структуре и её эволюции имеет прямое прикладное значение: