Pengendayan Histerisis Magnet dalam Nanostruktur melalui Pengaturan Termal Kopling RKKY
Abstrak
Mekanisme pengendayaan kopling pertukaran tak langsung secara ek-situ yang baru saja divisualisasikan dalam multilayer magnetik dibahas untuk berbagai desain lapisan penutup. Perubahan histerisis magnetisasi yang diinduksi oleh suhu dikaitkan dengan berbagai jenis interaksi pertukaran antar-lapisan yang bersaing. Analisis teoretis menunjukkan bahwa bentuk langkah dan histerisis lingkaran magnetisasi yang diukur disebabkan oleh anizotropi magnetik dalam bidang lokal dari nano-kristalit dalam film ferromagnetik yang kuat. Perbandingan eksperimen dan teori digunakan untuk membandingkan mekanisme switching magnetisasi berdasarkan persaingan antara (i) interaksi pertukaran antar-lapisan tak langsung (RKKY) dan langsung (non-RKKY) serta (ii) interaksi pertukaran antar-lapisan ferromagnetik tak langsung dan antiferromagnetik tak langsung (kedua bertipe RKKY). Hasil ini, yang menjelaskan ruang fase magnet yang kaya sistem, seharusnya membantu penggunaan praktis RKKY untuk switching magnetisasi secara termal dalam multilayer magnetik.
Latar Belakang
Penemuan penting kopling pertukaran tak langsung (IEC) [1] bertipe Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) dan efek magnetoresistanse raksasa [2] telah menghasilkan banyak hasil fisika dasar baru serta banyak aplikasi [3]. IEC yang ditemukan osilasi dalam besar dan tanda terhadap pemisahan lapisan ferromagnetik individual dalam tumpukan logam, menghasilkan keadaan dasar magnet paralel (P) atau anti-paralel (AP). Interaksi bertipe RKKY ini hampir independen dari suhu [4, 5] dan sebagian besar tidak sensitif terhadap kontrol eksternal apa pun setelah pembuatan, yang membatasi penggunaan efek ini. Upaya terbaru untuk meningkatkan efek suhu pada RKKY dan menggunakannya untuk mengontrol IEC dalam multilayer Tb/Y/Gd [6] dan Co/Pt [7] melaporkan RKKY yang relatif lemah tanpa switching termal paralel-ke-anti-paralel (P-to-AP) langsung, dengan transisi termal yang luas (~ 100 K).
Kami baru-baru ini menunjukkan [8, 9] mekanisme baru dari pengendayaan kopling RKKY antar-lapisan secara ek-situ dalam multilayer magnetik. Ide ini berdasarkan penggunaan logam ferromagnetik encer dengan suhu Curie relatif rendah (T_C*) sebagai pengganti penutup non-magnetik di antara lapisan FM yang kuat. Dalam desain awal, penutup Cr dalam trilayer RKKY klasik Fe/Cr/Fe diganti dengan logam encer Fe_xCr_100 − x (Gambar 1a, b). Ketika penutup paramagnetik (PM) pada T > T_C* (Gambar 1a), trilayer menunjukkan perbedaan anti-paralel dari momen Fe karena kopling pertukaran tak langsung (RKKY) antiferromagnetik (AFM). Perbedaan paralel dipaksa oleh kopling pertukaran langsung ketika penutup FM (T < T_C*) (Gambar 1b). Saat suhu bervariasi, trilayer ini menunjukkan switching magnetisasi paralel-ke-anti-paralel, dengan transisi yang cukup luas sekitar 100 K karena efek kedekatan magnet [10]. Sebaliknya, trilayer dengan penutup seragam, trilayer dengan penutup non-seragam, komposit menunjukkan performa yang signifikan ditingkatkan dengan lebar transisi termo-magnetik hingga sekitar 10 K. Selain itu, dengan menyesuaikan properti penutup, keadaan dasar magnet anti-paralel (Gambar 1c) atau paralel (Gambar 1e) dapat diperoleh pada T < T_C*. Pada pemanasan di atas T_C*, momen Fe membalik orientasi salingnya baik menjadi paralel untuk Fe/sp1/Fe (Gambar 1d) atau anti-paralel untuk Fe/sp2/Fe (Gambar 1f). Transisi termal yang sempit dan kemampuan untuk memilih regime magnet (P/AP) serta interval suhu operasi adalah semua keuntungan penting dalam hal implikasi praktis.
Ilustrasi tata letak magnetik multilayer Fe/penutup seragam/Fe ketika penutup paramagnetik (PM) (a) atau ferromagnetik (FM) (b). c, e Struktur dengan penutup komposit yang dimodifikasi sp1 dan sp2 menunjukkan masing-masing keadaan dasar magnet anti-paralel dan paralel pada suhu rendah (T < T_C*). d, f Variasi karakteristik suhu magnetisasi remanen dari struktur dengan penutup sp1 dan sp2 untuk berbagai komposisi lapisan logam encer dalam penutup. Ketebalan lapisan diberikan dalam tanda kurung dalam “nanometer”
Kopling antar-lapisan antiferromagnetik dalam multilayer kami jelas terwujud sebagai magnetisasi remanen nol, yang mencerminkan perbedaan anti-paralel dari momen lapisan Fe. Selain remanensi nol, kurva magnetisasi M(H) ditandai dengan pendekatan bertingkat ke saturasi dan histerisis saat membalik arah sweeping medan (Gambar 2a). Model kopling pertukaran bi-linier memberikan M(H) sebagai garis yang mendekati saturasi pada medan efektif kopling pertukaran tak langsung, H_J. Karakter bertingkat dari saturasi terjadi karena anizotropi magnetik dalam bidang dari lapisan ferromagnetik struktur, menghasilkan satu tingkat untuk anizotropi sumbu mudah [11], dan dua tingkat berurutan untuk anizotropi empat lipat [12]. Namun, studi magnetometri dan magnetresonansi bergantung sudut kami dari multilayer tidak mengungkap anizotropi magnetik dalam bidang secara makroskopis. Fakta terakhir ini memerlukan analisis yang lebih komprehensif dari hasil eksperimen, disertai simulasi model. Dalam bagian berikut, pendekatan komprehensif seperti ini digunakan untuk membandingkan mekanisme switching magnetisasi untuk dua desain kunci multilayer—dengan penutup seragam (Gambar 1a, b) sebagai kontras dengan penutup lapisan komposit (Gambar 1c, e).
a Kurva magnetisasi dalam bidang tipikal, M(H), yang diukur oleh MOKE untuk multilayer Fe/sp2/Fe dengan kopling antar-lapisan antiferromagnetik. Panah melengkung menunjukkan arah sweeping medan; panah horizontal menunjukkan peresamaan momen magnetik Fe. b Loop MOKE M(H) untuk referensi Fe(2)/Cr(10) (Fe bawah) dan Cr(10)/Fe(2) (Fe atas) bilayer. c Skematik referensi-frame dari M1, M2, dan H dalam bidang, terhadap sumbu mudah anizotropi magnetik dua lipat dari nano-kristalit
Kami menekankan pentingnya memahami mekanisme yang terlibat dalam kopling antar-lapisan dalam sistem tertentu. Pekerjaan pionier tentang RKKY dalam multilayer [13] dan perluasannya ke, misalnya, kopling pertukaran bi-kuadrat [14, 15] memicu perkembangan besar dalam fisika dan teknologi yang dikenal sebagai spintronik. Namun, RKKY dalam bentuk aslinya tidak digunakan lagi saat ini karena kurangnya mekanisme switching yang sesuai, tetapi sering memainkan peran pendukung dalam perangkat untuk, misalnya, lapisan referensi penutupan flux. Dalam karya ini, kami mempelajari mekanisme switching RKKY primer ini dan, lebih spesifik, menganalisis interaksi antara interaksi yang mengarah pada switching on/off termal RKYY, yang pada gilirannya mengontrol efisiensi switching P/AP dari magnetisasi nanostruktur. Berdasarkan analisis ini, kami dapat membuat kesimpulan dan rekomendasi untuk mengoptimalkan performa switching perangkat nano Curie-RKKY.
Metode
Dalam karya ini, kami menganalisis dua seri sampel: (1) Fe(2)/sp1(x = 30–40 at.%)/Fe(2), di mana sp1 = N/f/N/f/N, N = Cr(1.5), f = Fe(0.25)/Fe_xCr_100 − x(3)/Fe(0.25) (Gambar 1c), dan (2) Fe(2)/sp2(x = 10–20 at.%)/Fe(2), di mana sp2 = N/f/N, N = Cr(d_Cr), f = Fe_xCr_100 − x(d), d_tot = (2d_Cr + d) = 1.5 nm (Gambar 1e). Selain itu, sejumlah film referensi dan bilayer di-setor. Ketebalan dalam tanda kurung adalah dalam “nanometer”. Multilayer di-setor pada suhu ruangan pada substrat Si (100) tidak terdoping yang telah di-etch Ar menggunakan sistem sputtering magnetron dc. Lapisan logam biner encer Fe_xCr_100 − x dengan komposisi yang bervariasi di-setor menggunakan co-sputtering dari target Fe dan Cr terpisah. Detail tambahan tentang pembuatan multilayer dapat ditemukan di tempat lain [8, 9].
Karakterisasi magnetik dalam bidang dilakukan menggunakan magnetometer sampel getar (VSM) dilengkapi dengan furnace suhu tinggi (Lakeshore Inc.) dalam rentang suhu 295–400 K, dan magnetometer efek Kerr magneto-optik (MOKE) dilengkapi dengan criostat optik (Oxford Instr.) dalam rentang suhu 77–450 K. Selain itu, pengukuran resonansi ferromagnetik (FMR) dilakukan pada suhu ruangan menggunakan spektrometer X-band Bruker ELEXYS E500 dilengkapi dengan goniosiometer otomatis untuk mengukur ketergantungan sudut dalam bidang dari spektral resonansi magnetik.
Hasil dan Pembahasan
Fenomena Kopling Pertukaran Tak Langsung
Model magnetostatis fenomena yang digunakan untuk simulasi kurva magnetisasi untuk trilayer F1/NM/F2, di mana F1 dan F2 adalah lapisan ferromagnetik dan NM adalah penutup non-magnetik, memiliki asumsi berikut. Pertama, medan magnet diterapkan dalam bidang film, yang sesuai dengan eksperimen kami dan menyederhanakan perhitungan. Kedua, butir individual dalam film policristal ditandai dengan anizotropi dalam bidang dua lipat dengan sumbu mudah yang terdistribusi seragam di seluruh sudut dalam bidang (film di-setor dengan rotasi dalam bidang). Asumsi-asumsi ini wajar untuk sistem yang diteliti dan menghasilkan kecocokan terbaik dengan data M(H) yang diukur pada berbagai suhu seperti dibahas di bawah.
Densitas energi bebas untuk sistem F1/NM/F2 kami dapat ditulis sebagai
di mana U_H, U_a dan U_J adalah, masing-masing, energi Zeeman dari lapisan FM dalam medan H = (H, φ_H), energi anizotropi uniaksial, dan energi kopling antar-lapisan bertipe bi-linier [16, 17]. Momen magnetik dari lapisan FM, M_1 = (M, φ_1) dan M_2 = (M, φ_2), memiliki besar yang sama, seperti diilustrasikan pada Gambar 2c. H_a1,2 dan H_J adalah medan efektif dari anizotropi uniaksial (dua lipat) dan kopling antar-lapisan bi-linier, masing-masing. Konversi ke variabel sudut φ_m = (φ_1 + φ_2)/2 dan φ_d = (φ_1 − φ_2) menyederhanakan ekspresi energi bebas magnetik sistem menjadi
Dalam simulasi berikutnya, kurva magnetisasi, M(H), diperoleh dengan menemukan parameter φ_m dan φ_d, yang sesuai dengan minimum dari U dalam (2) untuk φ_H, H_1a, H_2a, dan H_J yang diberikan, sesuai dengan
M(H) yang diukur untuk struktur dengan kopling pertukaran AFM memiliki bentuk bertingkat, dengan koserpsi yang jelas untuk sweeping medan terbalik (Gambar 3a). Model fenomena di atas digunakan untuk menganalisis baik properti magnetik dari lapisan ferromagnetik Fe(2 nm) maupun transisi magnetik yang diinduksi secara termal dalam penutup komposit, yang memediasi kopling antar-lapisan.
a Kurva M(H) yang diukur untuk sampel dari seri, Fe/sp1(x = 15%)/Fe, untuk berbagai suhu. b Kurva M(H) simulasi yang sesuai untuk model trilayer F1/NM/F2, untuk berbagai kekuatan medan efektif H_J dari kopling pertukaran tak langsung. (H_a^av = (H_a1 + H_a2)/2, di mana H_a1 dan H_a2 adalah medan anizotropi dari lapisan F1 dan F2. c Kurva M(H) yang di-simulasikan untuk sudut φ_H yang dipilih, untuk H_J/H_a^av = 2. d Transformasi minimum lokal energi bebas (2) sebagai fungsi medan yang diterapkan H, untuk kasus H_J/H_a^av = 2 dan φ_H = 15°. Garis biru melacak jalur yang menghubungkan minimum energi untuk berbagai φ_m (φ_d). Permukaan depan permukaan energi transparan untuk kejelasan ilustrasi
Multilayer berbasis Fe epitaksial (100) yang tumbuh pada substrat kristal tunggal biasanya ditandai dengan anizotropi magnetik dalam bidang empat lipat [12], sementara substrat dengan tekstur lain [misalnya, (211)] dapat menghasilkan anizotropi dua lipat [11]. Perbedaan utama dalam M(H) antara kedua kasus adalah kehadiran dua tingkat karakteristik dalam M vs. H ketika anizotropi empat lipat dan hanya satu langkah M-vs-H ketika dua lipat. Studi VSM dan FMR kami dari film referensi Fe(2 nm) dan tri-layers Fe/Cr/Fe (data tidak ditunjukkan) tidak mengungkap ketergantungan sudut dalam bidang yang signifikan dalam loop histerisis atau spektral resonansi, sehingga kami menyimpulkan bahwa pada dasarnya tidak ada anizotropi magnetik dalam bidang secara makroskopis yang ada. Di sisi lain, analisis numerik yang dijelaskan di atas menyimpulkan bahwa loop M(H) yang berbentuk satu langkah yang diukur untuk tri-layers Fe/Cr/Fe yang dikopling RKKY harus disebabkan oleh anizotropi magnetik dua lipat pada skala kristalit individual yang membentuk film policristal. Distribusi sudut seragam dari sumbu mudah anizotropi lokal dalam bidang film dapat berasal dari penyetoran pada substrat yang berputar dalam kasus sampel kami. Pola anizotropi magnetik ini kemudian dapat dijelaskan dalam hal sifat policristal dari multilayer yang di-sputter dan variasi regangan dalam bidang antara butir nano-kristal [18].
Kurva M(H) untuk sistem model F1/NM/F2, yang di-simulasikan untuk berbagai kekuatan kopling pertukaran antar-lapisan AFM (medan efektif H_J) dan ditunjukkan pada Gambar 3b, menunjukkan semua fitur kunci yang ditemukan dalam kurva eksperimental (Gambar 3a). M(H) untuk Fe/sp1(x = 35 at.%)/Fe mengalami perubahan signifikan dengan peningkatan suhu. Perubahan ini disebabkan oleh penurunan kopling antar-lapisan, yang dapat dibandingkan langsung dengan M(H) simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Semua perubahan yang terlihat dalam data M(H) eksperimental, termasuk peningkatan koserpsi seiring dengan penurunan kopling antar-lapisan, sangat berkorelasi dengan perilaku simulasi, yang memvalidasi model. Perlu dicatat bahwa perhitungan model dilakukan tanpa mempertimbangkan efek suhu secara langsung (hanya melalui H_J yang efektif dikurangi), yang seharusnya mengurangi koserpsi magnetik dari lapisan individual. Ini adalah kemungkinan penyebab koserpsi yang sedikit lebih kecil dalam eksperimen.
Kurva M(H) simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 3b diperoleh dengan merata-ratakan M(H) yang dihitung untuk berbagai sudut φ_H antara medan eksternal H dan sumbu mudah anizotropi magnetik uniaksial. Gambar 3c menunjukkan kurva pada sudut φ_H yang dipilih untuk kasus H_J/H_a^av = 2. Di sini, H_a^av = (H_a1 + H_a2)/2, di mana H_a1 dan H_a2 adalah medan efektif dari anizotropi uniaksial dalam bidang yang bertindak pada lapisan F1 dan F2, masing-masing. Rasio H_a1/H_a2 = 0.7, yang digunakan dalam perhitungan, sesuai dengan nilai yang diperoleh secara eksperimental (Gambar 2b). Bentuk bertingkat dan koserpsi yang jelas untuk φ_H < 60°. Seperti disebutkan di atas, studi VSM dan FMR tambahan dari film referensi Fe(2 nm) dan tri-layers Fe/Cr/Fe tidak mengungkap ketergantungan sudut dalam bidang yang signifikan dalam loop histerisis atau spektral resonansi. Karena VSM dan FMR mengukur properti integral sampel, kami menyimpulkan bahwa pada dasarnya tidak ada anizotropi magnetik dalam bidang secara makroskopis yang ada. Di sisi lain, koserpsi yang diamati hanya dapat diatribusikan pada anizotropi magnetik dalam bidang. Selain itu, bentuk kurva M(H) eksperimental lebih dekat dengan kurva yang dihitung dengan merata-ratakan daripada dengan kurva individual untuk φ_H yang dipilih. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan sifat policristal dari multilayer yang di-sputter kami, seseorang dapat menyimpulkan bahwa lapisan Fe(2 nm) memiliki distribusi sudut seragam dari sumbu mudah anizotropi lokal dalam bidang film.
Gambar 3d mengilustrasikan bagaimana energi U(φ_m, φ_d) dari Eq. 2 berubah sebagai respons terhadap H. Kami, lagi, mengambil H_J/H_a^av = 2 dan φ_H = 15°, yang sesuai dengan kurva kedua pada panel (c). Garis tebal padat dalam Gambar 3d melacak jalur yang menghubungkan minimum energi untuk berbagai φ_m (φ_d). Minimum energi lokal jelas terdefinisi dalam jalur nilai minimum ini. Minimum pada medan rendah sesuai dengan orientasi anti-paralel dari momen Fe (φ_m ≈ 90°, φ_d ≈ 180°). Dengan peningkatan H, minimum energi lokal kedua muncul dan menjadi dalam, sementara minimum pertama menjadi dangkal dan akhirnya menghilang. Status minimum tunggal ini sesuai dengan orientasi paralel dari momen Fe (φ_m ≈ φ_H, φ_d ≈ 0°). Pada penurunan H berikutnya, sistem awalnya berada dalam minimum kedua (status magnet paralel) sampai menghilang pada H lebih rendah dan sistem akhirnya berada dalam minimum energi pertama (status anti-paralel).
Persaingan Antara Kopling Pertukaran Langsung dan Tak Langsung: Ketergantungan Suhu Koserpsi Magnetik
Sementara seri pertama tri-layers Fe/sp1/Fe menunjukkan transisi yang diinduksi secara termal dari kopling antar-lapisan AFM pada suhu rendah ke keadaan terkople pada suhu tinggi, seri kedua menunjukkan transisi dari kopling FM pada suhu rendah ke kopling AFM pada suhu tinggi. Untuk transisi termal FM-ke-AFM dalam kasus kedua, tidak diperlukan medan magnet eksternal dan switching magnetisasi sepenuhnya reversible—keuntungan kunci untuk aplikasi.
Menggunakan model yang divalidasi melalui analisis di atas dari seri pertama sampel, kami kemudian fokus pada penyelidikan persaingan antara kopling pertukaran antar-lapisan langsung dan tak langsung dalam Fe/sp2*(x)/Fe, dengan penutup seragam tipe sp2* = Fe_xCr_100 − x(1.5 nm) dan penutup komposit tipe sp2* = Cr(d_Cr)/Fe_xCr_100 − x(d)/Cr(d_Cr), d + d_Cr = 1.5 nm (sp2* adalah turunan dari penutup ketebalan tetap sp2 = Cr(0.4)/Fe_xCr_100 − x(0.7)/Cr(0.4) dari seri kedua). Gambar 4 membandingkan loop M(H) eksperimental untuk struktur dengan sp2 = Cr(0.4)/Fe_15Cr_85(0.7)/Cr(0.4) [panel (a)] dan kurva M(H) simulasi yang sesuai dengan H_J dipilih sehingga mendapatkan kecocokan terbaik dengan eksperimen. Pertama yang perlu diperhatikan adalah kemiripan tinggi antara loop yang dihitung dan yang diukur, dengan semua fitur kunci direproduksi. Kedua, eksperimen menunjukkan transisi yang diinduksi secara termal dari kopling antar-lapisan FM [loop tunggal suhu rendah pada Gambar 4a] ke kopling AFM [loop suhu tinggi dengan remanensi nol pada Gambar 4a]. Variasi dalam bentuk loop simulasi untuk berbagai nilai medan kopling efektif H_J (Gambar 4b) secara tambahan memvalidasi keterangan fenomena yang dipilih. Sama seperti di bagian sebelumnya, H_a1/H_a2 = 0.7 digunakan dalam simulasi. Perlu dicatat bahwa, meskipun tidak terjadi di sini, bentuk M(H) bertingkat yang diatribusikan pada kopling antar-lapisan AFM (misalnya, loop pada 300 K dan H_J = 0.5H_a^av) dalam prinsipnya dapat disebabkan oleh koserpsi yang berbeda dalam F1 dan F2 dalam keadaan tanpa kopling antar-lapisan (H_J = 0). Kopling antar-lapisan FM yang kuat, namun, selalu menghasilkan satu loop M(H).
a Magnetisasi versus medan yang diukur oleh MOKE untuk sampel dari seri kedua, Fe/sp2(x = 15%)/Fe, untuk berbagai suhu. b Kurva M(H) simulasi yang sesuai untuk model trilayer F1/NM/F2, untuk berbagai medan efektif kopling pertukaran tak langsung, H_J
Koserpsi loop parsial (H_c^part) memiliki ketergantungan suhu yang jelas untuk semua sampel dan meningkat hampir linier dengan penurunan suhu. Gambar 5a menunjukkan ketergantungan suhu dari medan koserpsi yang didefinisikan sebagai selisih antara medan dua puncak pada turunan magnetisasi, dM/dH vs H. Seri dengan x = 15% berisi sampel dengan ketebalan berbeda dari lapisan yang menyusun penutup: d (d_Cr) = 3 (6), 7 (4), 9 (3), 11 (2), 15 (0) Å. Sampel terakhir [d (d_Cr) = 15 (0) Å] adalah trilayer dengan penutup seragam Fe_15Cr_85 (1.5 nm). Sampel dengan d ≤ 7 Å (d_Cr ≥ 4 Å) menunjukkan peningkatan monotonik dalam H_c^part dengan penurunan suhu. Koserpsi sampel dengan d_Cr lebih kecil (< 4 Å) mulai menyimpang dari kemiringan ini tepat di bawah suhu transisi. Bagian suhu tinggi dari H_c^part(T), however, berada pada tren linier umum [ditunjukkan sebagai garis tebal merah pada Gambar 5a]. Kemiringan linier ini dalam medan koserpsi versus suhu terkait terutama dengan perubahan dalam koserpsi intrinsik dari lapisan Fe(2 nm) luar.
a Ketergantungan suhu koserpsi loop parsial (H_c^part) untuk struktur Fe/sp2(x = 15%)/Fe dengan ketebalan yang berbeda dari lapisan Fe_xCr_100 − x dan Cr (d dan d_Cr, masing-masing) dalam penutup sp2. Garis tebal merah adalah pendekatan linier dari bagian suhu tinggi H_c^part(T). b Ketergantungan suhu koserpsi yang dinormalisasi ke latar belakang linier. c Koserpsi vs. H_J yang diperoleh dari kurva M(H) simulasi untuk dua kasus: (1) H_a1/H_a2 = 0.7 dan (2) H_a1 = H_a2
Dalam karya kami sebelumnya [9] struktur dengan ketebalan penutup d ≤ 7 Å (d_Cr ≥ 4 Å) menunjukkan switching termo-magnetik yang tajam. Kami kemudian menyarankan bahwa alasan penyempitan transisi magnetik ini adalah switching off saluran pertukaran langsung antara lapisan Fe luar. Di sisi lain, ketergantungan H_c^part* vs T (Gambar 5b), yang diperoleh dengan menormalisasi H_c^part(T) ke latar belakang koserpsi intrinsik yang berlengkung, menunjukkan deviasi negatif yang terlihat hanya untuk struktur dengan penutup Cr tipis (d_Cr < 4 Å) dan pada dasarnya tidak ada deviasi untuk d_Cr ≥ 4 Å. Ketergantungan untuk x = 20%, d_Cr = 4 Å ditunjukkan untuk perbandingan karena transisi untuk x = 15%, d_Cr = 4 Å (T_C* ≈ 140 K) mendekati suhu pengukuran terendah. Ketiadaan deviasi negatif pada H_c^part* vs T untuk struktur dengan d_Cr ≥ 4 Å dapat berfungsi sebagai konfirmasi tambahan bahwa kopling antar-lapisan langsung sepenuhnya ditekan.
Untuk memisahkan dan menganalisis bagian dari ketergantungan H_c^part(T), yang dijalankan oleh perubahan dalam kekuatan dan tanda kopling antar-lapisan (H_J), koserpsi dari M(H) simulasi di-plotting versus H_J pada Gambar 5c. Dengan demikian, diperoleh H_c^sim vs T tergantung pada rasio antara medan anizotropi efektif dari lapisan F1 dan F2, H_a1/H_a2. Semakin besar penyimpangan H_a1/H_a2 dari kesatuan, semalam minimum dan besarnya offset dari medan nol di sisi FM diagram (H_J < 0). Ketika medan anizotropi sama (H_a1/H_a2 = 1), minimum tidak ada. Perilaku ini mirip dengan perbedaan antara H_c^part*(T) untuk struktur dengan penutup seragam dan komposit dengan d_Cr besar (≥ 4 nm) [kurva biru dan hitam pada Gambar 5b, masing-masing]. Ini menunjukkan bahwa kedua jenis penutup ini mentransmisikan kopling antar-lapisan antara dua lapisan Fe luar secara berbeda. Dalam penutup seragam, kopling FM langsung bersaing dengan kopling AFM tak langsung, pada suatu suhu menyeimbangkannya sehingga H_J = 0. Kasus ini dijelaskan dengan baik oleh model kami, di mana lapisan F1 dan F2 memiliki medan anizotropi yang berbeda [kurva biru pada Gambar 5c]. Sebaliknya, lapisan Fe dalam struktur dengan penutup komposit dikopling FM pada suhu rendah secara berurutan melalui Fe/Cr/FeCr dan FeCr/Cr/Fe, dengan lapisan dalam penutup FeCr berada dalam keadaan FM. Karena lapisan FeCr ini bertindak sebagai tautan pertukaran tambahan, penutup mentransmisikan pertukaran dengan cara yang secara efektif menyamakan koserpsi lapisan Fe luar [kurva hitam pada Gambar 5c]. Ketika lapisan FeCr berada dalam keadaan paramagnetik, sistem berperilaku mirip dengan yang dengan penutup seragam [bagian suhu tinggi dari ketergantungan H_c^part* vs T pada Gambar 5b dan sisi AFM dari H_c^sim vs T (H_J > 0) pada Gambar 5c].
Kesimpulan
Secara ringkas, kami telah mendeskripsikan dan membandingkan dua mekanisme switching magnetisasi yang diinduksi secara termal dalam multilayer dengan berbagai jenis penutup yang memediasi kopling pertukaran antar-lapisan. Mekanisme switching mencerminkan persaingan antara kopling pertukaran langsung dan tak langsung melalui penutup seragam atau semua kopling pertukaran tak langsung bertipe ferromagnetik dan antiferromagnetik melalui penutup komposit. Elemen kunci desain penutup adalah lapisan logam encer yang lemah magnetik, transisi Curienya yang diubah menjadi switching magnetisasi P-AP dalam struktur. Data pengukuran kami, yang didukung oleh simulasi teoretis rinci dari histerisis magnetik dalam multilayer, dijelaskan sebagai disebabkan oleh nano-butir anizotropi magnetik uniaksial dengan sumbu mudahnya yang terdistribusi seragam dalam bidang lapisan ferromagnetik luar. Ketergantungan suhu koserpsi magnetik dalam wilayah transisi magnetik memiliki bentuk yang berbeda untuk berbagai desain penutup. Perilaku spesifik untuk struktur dengan penutup komposit ditemukan sebagai hasil dari saluran kopling antar-lapisan langsung yang ditekan, sehingga mekanisme switching P-AP yang relevan adalah persaingan antara kopling pertukaran ferromagnetik tak langsung dan antiferromagnetik tak langsung (kedua bertipe RKKY).
Dengan demikian, kami telah menunjukkan bahwa saluran kopling antar-lapisan langsung yang terputus di dalam penutup berkorelasi dengan transisi termo-magnetik yang lebih tajam. Kami juga telah menunjukkan bahwa persaingan yang dijalankan secara termal dari kopling pertukaran antar-lapisan tak langsung murni, ferromagnetik RKKY versus antiferromagnetik RKKY, di mana efek kedekatan di penutup tidak berfungsi, menghasilkan performa switching yang lebih baik. Hasil ini seharusnya penting untuk aplikasi perangkat nano Curie-RKKY dalam perangkat spin-termo-elektronik [19, 20].
