بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت جفتشدگی مغناطیسی در ساختارهای کلید اسپینی و اهمیت پیدا کردن زبری سطح در مقیاسهای نانومتری، در این مقاله به بررسی اثر زبری در جفتشدگی مغناطوستاتیکی در این ساختارها پرداختهایم. یک ساختار کلید اسپینی به صورت - فرومغناطیس/غیر مغناطیس/فرومغناطیس - میباشد. با در نظر گرفتن انرژی مغناطوستاتیکی ساختار و زبری خود متشابه در مزر بین لایههای فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی با اعمال تبدیل فوریه و فرض w d، - که d و w به ترتیب ضخامت لایه میانی و پهنای زبری مرز مشترک می باشد - همبستگی عرضی بینشان بدست میآید که نشانگر همبستگی دو سطح زبر و درنتیجه جفت شدگی مغناطوستاتیکی دو لایه مغناطیسی است. این جفتشدگینهایتاً به صورت یک تانسور قطری در میآید و جفتشدگی را در راستاهای مختلف نشان میدهد. به عنوان نتیجه اگر این زبریها همفاز باشند جفتشدگی پادفرومغناطیس و اگر زبریها غیرهمفاز باشند جفتشدگی فرومغناطیس باعث کمینه شدن انرژی سیستم میشود. منشاء این جفتشدگی، چگالی قطبهای مغناطیسی هستند که روی سطوح لایه مغناطیسی به وجود میآیند. نتایج بدست آمده از این پژوهش قابل استفاده در ساخت و طراحی و تولید ادوات اسپینترونیکی و به ویژه کلیدهای اسپینی میباشد.
مقدمه
امروزه کلیدهای اسپینی به دلیل کاربرد گستردهشان در صنعت ذخیره سازی اطلاعات و حسگرهای مغناطیسی به طور گستردهمورد مطالعه قرار گرفتهاند. از طرفی زبری سطح در ساختارهایلایه نازک مغناطیسی و حتی غیرمغناطیسی اهمیت ویژهای پیدا میکند، و بر روی خواصی مانند عامل وامغناطش، ساختار حوزههای مغناطیسی، مغناطومقاومت 4]؛[1 و بهطور خاص در این مقاله بر روی جفتشدگی تأثیر میگذارد. اساسا چهار نوع جفت شدگیمغناطیسی در ساختار های کلید اسپینی وجود دارد که عبارتند از:
الف - جفت شدگی تبادلی غیر مستقیمRKKY که یک اثر کاملاکوانتومی است و در اثر زبری و در دماهای بالا قدرت آن کاهشمیابد [5]، ب - جفت شدگی مغناطیسی مستقیم از طریق حفره های
موجود در لایه غیر مغناطیسی بین دو لایه مغناطیسی [6] ج - جفت شدگی مغناطوستاتیکی ناشی از میدان مغناطیسی حاصل از حوزهها و دیواره ها 7] و[8 د - جفت شدگی مغناطوستاتیکی ناشی اززبری سطوح.[9] جفت شدگی های مغناطوستاتیکی حاصل برهمکنش مغناطوستاتیکی لایه ها هستند، به عبارتی این جفت شدگی ها به صورت انرژی مغناطوستاتیکی یک لایه در حضور
میدان مغناطیسی لایه مجاور تعریف میشود و بنابراین منشاء کاملاکلاسیکی دارند.اولین بار لوئیز نیل نوعی جفتشدگیمغناطوستاتیکی را برای سطوح زبر سینوسی همفاز بررسی کرد [9]که به جفتشدگی پوست پرتقالی شهرت یافت.
پس از آن ژانگ ووایت [10] و سپس کولز و همکارانش [11] این مدل را کامل تر کردند. همچنین شلومن در سال 1970 یک مدل فیزیکی برای یکتک لایه مغناطیسی با حضور زبری سینوسی پیشنهاد داد .[12] اومؤلفههای تانسور وامغناطش درصفحه لایه ورا به صورت محاسبه کرد، که در آن طول موج و دامنه موج سینوسی است. در سال 1999 ژائو وهمکارانش اینمسئله را در حضور زبری تصادفی تعمیم دادند [13] و این مؤلفههارا به صورت Nxx - yy - w2 / بدست آوردند که در آن w ومیانگین مجذوری دامنه زبری و طول همبستگی هستند. مسئله-ای که در ادامه مورد بررسی قرار میگیرد یک ساختار سه لایهای است. به طوری که یک لایه غیرمغناطیسی میان دو لایه فرومغناطیسی ساندویچ شده است، در مرزها به طور معمول نوعی از زبری وجود دارد، که این زبری منشأ به وجود آمدن نوعی جفتشدگی مغناطوستاتیکی بین دو لایه فرومغناطیس است.
توصیف مدل و فرمولبندی
همان طور که اشاره شد جفت شدگی های مغناطوستاتیکی منشا کلاسیک دارند و بنابراین در این مقاله تمام محاسبات بر مبنایمغناطوستاتیک کلاسیک است. در شکل - 1 - نمایی از ساختار بررسی شده آورده شده است. مغناطش لایههای مغناطیسی یکنواخت و تک حوزه فرض شده اند. M1 و M2 بردار هایمغناطش در لایههای مغناطیسی هستند و جهتگیری دلخواه دارند.
بحث و تحلیل نتایج
انتگرال رابطه - 10 - را به صورت عددی برای ساختار Co/Cu/Co با احتساب aCo=2/48 Å و aCu=2/50 Å و Åa - kc=21/93 ثابت شبکه است و kC بردار موج در شبکه وارونبا رابطه kc 2 / a است - حساب میکنیم. در نمودار شکل - 2 - با افزایش طول همبستگی جفتشدگی افزایش مییابد، یک طولهمبستگی مشخصهای مثل c به یک مقدار ماکزیمم میرسد وسپس رفتار کاهشی دارد، که نشان میدهد یک طول همبستگی خاص بیشترین خطوط میدان را تولید میکند و ماکزیمم جفت-شدگی را میدهد؛ برای طول همبستگی های کوچکتر مساحتسطح زیادتر شده و هنگامی که این طول هبمستگی افزایش مییابدچگالی قطبهای مغناطیسی روی سطح کاهش مییابند.در شکل - 3 - با افزایش نمای زبری، ظاهر سطح نرمتر میشود و جفت-شدگی کاهش مییابد ، اما در های کوچکتر از حدود 0/3 دریک ئماکزیمم جفتشدگی به وجود آمده است.
اگر 0 افت و خیزهای ریز سطح خیلی زیاد میشود و اگر1سطح نرمتر و آرامتر است، لذاچگالی قطبهایمغناطیسی کاهش یافتهاند. افزایش جفتشدگی با افزایش توان دوم پهنای زبری نشان داده شده است، و به عبارتی دامنه زبری است، هر چه این دامنه افزایش یابد گویی نوسانات ناگهانی افزایش مییابد. در نمودار شکل - - 4 جفتشدگی به صورت 1/ dکاهشمییابد که در این مورد قابل تأمل است و میتوان دریافت خطوطمیدان تولید شده دوربُرد نیستند. نتایج تجربی بدست آمده تأییدی از این رفتار است .[14] در رابطه - 10 - اگرJ 0 برای کمینگیانرژی میبایست حاصل M M منفی شود یعنی مغناطش دو لایه 1 2نسبت به هم جهتگیری مخالف دارند - جفتشدگی پاد فرومغناطیس - شکل -5 - الف - . اگر J 0 برای کمینگی انرژیباید حاصل M M مثبت شود. یعنی مغناطش دو لایه نسبت به 1 2هم جهتگیری موازی دارند.
