Перемагничивание ферромагнитных атомных цепочек кобальта конечной длины

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследованы различные механизмы перемагничивания ферромагнитных цепочек Co конечной длины на поверхности Pt(664). Установлено, что перемагничивание коротких цепочек происходит за счет одновременного переворота всех магнитных моментов. При большей длине цепочки перемагничивание происходит посредством формирования антидоменной стенки неелевского типа. Перемагничивание длинной цепочки может осуществляться как за счет формирования антидоменной, так и доменной стенки. Геодезическим методом упругой ленты вычислены энергетические барьеры для перемагничивания атомных цепочек длиной от 5 до 100 атомов. В рамках гармонического приближения теории переходного состояния вычислены частотные префакторы. Обнаружена немонотонная и достаточно сильная зависимость частотных префакторов как от длины цепочки, так и от величины внешнего магнитного поля. Построены кривые намагничивания цепочек из атомов Co, найдены значения остаточной намагниченности и коэрцитивной силы цепочек. Проанализированы зависимости коэрцитивной силы от длины цепочки, температуры и скорости изменения магнитного поля.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Колесников

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: kolesnikov@physics.msu.ru
Россия, Москва, 119899

Е. С. Сапронова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: kolesnikov@physics.msu.ru
Россия, Москва, 119899

А. М. Салецкий

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: kolesnikov@physics.msu.ru
Россия, Москва, 119899

Список литературы

  1. Choi D.J., Lorente N., Wiebe J., von Bergmann K., Otte A.F., Heinrich A.J. Colloquium: Atomic spin chains on surfaces // Rev. Mod. Phys. 2019. V. 91. P. 041001.
  2. Сыромятников А.Г., Колесников С.В., Салецкий А.М., Клавсюк А.Л. Формирование и свойства металлических атомных цепочек и проводов // УФН. 2021. T. 191. C. 705–737.
  3. Zutic I., Fabian J., Das Sarma S. Spintronics: Fundamentals and applications // Rev. Mod. Phys. 2004. V. 76. P. 323.
  4. Bose S. Quantum Communication through an Unmodulated Spin Chain // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 91. P. 207901.
  5. Verma H., Chotorlishvili L., Berakdar J., Mishra S.K. Qubit(s) transfer in helical spin chains // Eur. Phys. Lett. 2017. V. 119. P. 30001.
  6. Gambardella P., Rusponi S., Veronese M., Dhesi S.S., Grazioli C., Dallmeyer A., Cabria I., Zeller R., Dederichs P.H., Kern K., Carbone C., Brune H. Giant Magnetic Anisotropy of Single Cobalt Atoms and Nanoparticles // Science. 2003. V. 300. P. 1130–1133.
  7. Gambardella P., Dallmeyer A., Maiti K., Malagoli M.C., Eberhardt W., Kern K., Carbone C. Ferromagnetism in one-dimensional monatomic metal chains // Nature. 2002. V. 416. P. 301–304.
  8. Dzyaloshinsky I. A thermodynamic theory of “weak” ferromagnetism of antiferromagnetics // J. Phys. Chem. Solids. 1958. V. 4. P. 241–255.
  9. Moriya T. New Mechanism of Anisotropic Superexchange Interaction // Phys. Rev. Lett. 1960. V. 4. P. 228.
  10. Mokrousov Yu., Thiess A., Heinze S. Structurally driven magnetic state transition of biatomic Fe chains on Ir(001) // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. P. 195420.
  11. Paterson G.W., Tereshchenko A.A., Nakayama S., Kousaka Y., Kishine J., McVitie S., Ovchinnikov A.S., Proskurin I., Togawa Y. Tensile deformations of the magnetic chiral soliton lattice probed by Lorentz transmission electron microscopy // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. P. 184424.
  12. Schweflinghaus B., Zimmermann B., Heide M., Bihlmayer G., Blügel S. Role of Dzyaloshinskii-Moriya interaction for magnetism in transition-metal chains at Pt step edges // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 024403.
  13. Kolesnikov S.V., Sapronova E.S. Influence of Dzyaloshinskii–Moriya and Dipole–Dipole Interactions on Spontaneous Magnetization Reversal Time of Finite-Length Co Chains on Pt(664) Surfaces // IEEE Magn. Lett. 2022. V. 13. P. 2505905.
  14. Kolesnikov S.V., Sapronova E.S., Kolesnikova I.N. An influence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the magnetization reversal process of the finite-size Co chains on Pt(664) surface // J. Magn. Magn. Mater. 2023. V. 579. P. 170869.
  15. Heide M., Bihlmayer G., Blügel S. Dzyaloshinskii-Moriya interaction accounting for the orientation of magnetic domains in ultrathin films: Fe/W(110) // Phys. Rev. B. 2008. V. 78. P. 140403.
  16. Rohart S., Thiaville A. Skyrmion confinement in ultrathin film nanostructures in the presence of dzyaloshinskii-moriya interaction // Phys. Rev. B. 2013. V. 88. P. 184422.
  17. Bessarab P.F., Uzdin V.M., J´onsson H. Method for finding mechanism and activation energy of magnetic transitions, applied to skyrmion and antivortex annihilation // Comput. Phys. Commun. 2015. V. 196. P. 335.
  18. Лобанов И.С., Поткина М.Н., Уздин В.М. Устойчивость и времена жизни магнитных состояний нано- и микроструктур (миниобзор) // Письма в ЖЭТФ. 2021. Т. 113. C. 833.
  19. Hanggi P., Talkner P., Borkovec M. Reaction-rate theory: fifty years after Kramers // Rev. Mod. Phys. 1990. V. 62. P. 251.
  20. Bessarab P.F., Uzdin V.M., Jonsson H. Potential energy surface and rates of spin transitions // Z. Phys. Chem. 2013. V. 227. P. 1543.
  21. Bessarab P.F., Uzdin V.M., Jonsson H. Harmonic transition-state theory of thermal spin transitions // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. P. 184409.
  22. Bessarab P.F., Uzdin V.M., Jonsson H. Size and shape dependence of thermal spin transitions in nanoislands // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. P. 020604.
  23. Chudnovsky E.M., Gunther L. Quantum Tunneling of Magnetization in Small Ferromagnetic Particles // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 60. P. 661.
  24. Wernsdorfer W., Cl´erac R., Coulon C., Lecren L., Miyasaka H. Quantum Nucleation in a Single-Chain Magnet // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. P. 237203.
  25. Френкель Д., Смит Б. Принципы компьютерного моделирования молекулярных систем. М.: Научный мир, 2013. 578 с.
  26. Камилов И.К., Муртазаев А.К., Алиев Х.К. Исследование фазовых переходов и критических явлений методами Монте-Карло // УФН. 1999. Т. 169. C. 773.
  27. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 656 с.
  28. Tsysar K.M., Kolesnikov S.V., Saletsky A.M. Magnetization dynamics of mixed Co–Au chains on Cu(110) substrate: Combined ab initio and kinetic Monte Carlo study // Chin. Phys. B. 2015. V. 24. P. 097302.
  29. Колесников С.В., Колесникова И.Н. Оценка времени перемагничивания антиферромагнитных цепочек в рамках модели Гейзенберга // ЖЭТФ. 2017. T. 152. C. 759–766.
  30. Boisvert G., Lewis L.J., Yelon A. Many-body nature of the Meyer-Neldel compensation law for diffusion // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 75. P. 469.
  31. Meyer W., Neldel H. Relation between the energy constant and the quantity constant in the conductivity-temperature formula of oxide semiconductors // Z. Tech. Phys. 1937. V. 12. P. 588.
  32. Колесников С.В. Исследование магнитных свойств атомных цепочек конечной длины при низких температурах // Письма в ЖЭТФ. 2016. T. 103. C. 668–672.
  33. Kolesnikov S.V., Kolesnikova I.N. Magnetic properties of the finite-length biatomic chains in the framework of the single domain-wall approximation // Phys. Rev. B. 2019. V. 100. P. 224424.
  34. Li Y., Liu B.-G. Long-range ferromagnetism in one-dimensional monoatomic spin chains // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 174418.
  35. Shen J., Skomski R., Klaua M., Jenniches H., Sundar Manoharan S., Kirschner J. Magnetism in one dimension: Fe on Cu(111) // Phys. Rev. B. 1997. V. 56. P. 2340.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение атомной цепочки и осей координат. Вектор D лежит в плоскости yz. Вектор B направлен вдоль оси легкого намагничивания y (a). Схематичные изображения одновременного переворота магнитных моментов при перемагничивании короткой цепочки (б) и образования доменных стенок Нееля при перемагничивании длинной цепочки (в, г).

Скачать (20KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость среднего модуля проекции намагниченности на ось легкого намагничивания |My| и производной −d |My| dT от температуры T.

Скачать (17KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Последовательные изображения магнитного состояния цепочки из 50 атомов Co при ее перемагничивании во внешнем магнитном поле By = 1 Тл посредством формирования антидоменной стенки. Начальное состояние, седловая точка и конечное состояние обозначены как min 1, SP 1 и min 2 соответственно. Промежуточные изображения (A, B, C, D, E, F) показаны для наглядности. Обозначения соответствуют энергетической диаграмме на рис. 4a.

Скачать (66KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (a) Энергетическая диаграмма для двух способов перемагничивания цепочки из 50 атомов Co во внешнем поле By = 1 Tл. EI (EII) – энергия цепочки в процессе перемагничивания посредством формирования антидоменной (доменной) стенки. (б) Магнитная конфигурация атомной цепочки из 50 атомов Co в седловой точке SP 2 (доменная стенка).

Скачать (40KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости энергетических барьеров ΔE и частотных префакторов ν0 для перемагничивания цепочки из атомов Co от длины цепочки N. Внешнее магнитное поле By = 1 Tл.

Скачать (60KB)
Метаданные
7. Рис. 6. (a) Кривые намагничивания цепочек из 15 и 100 атомов Co при температуре 5 К. (б) Зависимость величины (1 – Mr) от длины N цепочки при температуре 5, 6 и 7 К, где Mr — остаточная намагниченность цепочки. (в) Зависимость коэрцитивной силы Bc от длины N цепочки при тех же температурах. (г) Зависимость коэрцитивной силы Bc цепочки из 100 атомов Co от температуры. Во всех случаях скорость изменения магнитного поля равна 130 Тл/с.

Скачать (58KB)
Метаданные