Mikro/Nanomagnetizmus a skenovacie metodológie

PracovníciPublikácieSpäť

Jednou z najvýznamnejších aplikácií magnetických materiálov v súčasnosti je oblasť pamäťových prvkov. Súčasné pamäte by mali byť rýchle, spoľahlivé, nízkonapäťové a energeticky efektívne tak, aby sa zabránilo predpovedi exponenciálnej spotreby energie pre budúce IKT (informačné a komunikačné technológie) systémy spôsobené celkovým rastom kapacity dátových úložísk a rýchlosti použitých pamätí. Nové magnetické pamäte sa ukazujú byť efektívnym riešením tohto energetického problému. Riešenie vyžaduje vyradenie mechanických pohyblivých častí a externých polí.

Nové pamäte na báze magnetických materiálov (MRAM) spĺňajú tieto predpoklady a práve vstupujú na trh. Dostupné technológie však môžu byť vylepšené na základe rôznych nových konceptov v magnetizme, ktoré teoreticky a experimentálne študujeme aj v našej skupine. Magnetické nanoštruktúry sú považované za také súčiastky na ukladanie dát, ktoré môžu operovať za hranicami polovodičovej technológie. Informácia môže byť zapísaná v magnetickej textúre, ktorú môžeme meniť externým poľom alebo elektrickým prúdom. Jednotlivé magnetické stavy sú pritom definované buď materiálovými vlastnosťami alebo geometriou súčiastky. Pozorovanie magnetických skyrmiónov nedávno naštartovalo intenzívny výskum, ktorý je motivovaný potenciálnym využitím skyrmiónu ako základnej jednotky informácie.

Nekolineárny magnetizmus v systémoch s Dzyaloshinskii-Moriya interakciou otvára ďalší rozmer výskumu v oblasti nanomagnetizmu.

Teoretická a numerická analýza sa orientuje ako na statické, tak aj na dynamické vlastnosti magnetických štruktúr. Statické simulácie zameriavame na nájdenie stabilného magnetického stavu realizovateľného v konkrétnom nanomagnete. Dôležitým parametrom pre praktické využitie je pritom výška energetickej bariéry oddeľujúca možné magnetické stavy. Je to kľúčový parameter na posúdenie stability a spoľahlivosti uloženej informácie. Študovali sme napríklad bistabilný systém zložený z dvoch skyrmiónových stavov. Takáto súčiastka nesie jeden bit informácie, reprezentovaný rôznymi stavmi skyrmiónu.

Dynamika magnetických systémov zahŕňa štúdium spinových vĺn a ich šírenie a dynamiku magnetických solitónov.

Spolu s teóriou je významnou výzvou aj experimentálna príprava vzoriek a systémov na zobrazovanie magnetického poľa na nanoškále. Naša skupina nedávno vyvinula tri nové metodológie magnetickej mikroskopie (MFM).

Sú to:

– Magnetická silová mikroskopia s prepínanou magnetizáciou (SM-MFM), ktorá je založená na dvojkrokovom skenovaní s otočením magnetizácie hrotu, rozlíšenie je lepšie ako 10 nm,
– MFM s dvojitým hrotom, pričom magnetický hrot sa nedotýka vzorky – systém má oddelené meranie topografia a mapovanie magnetického poľa pomocou dvoch oddelených hrotov,
– Dvojnosníkový magnetometer, v ktorom je možné väzbu medzi nosníkmi zapnúť a vypnúť v externom magnetickom poli.

Fig. 1. Dvojnosníkový magnetometer – schéma. Možné stavy elíps (jednodoménové, vortex) ukazuje inset. Sily medzi nosníkmi môžu byť príťažlivé (Att), odpudivé (Rep) alebo vypnuté (off). SEM obrázok nosníka vpravo.


Ostatné publikácie:

Neilinger, P., ŠčepkaT., Mruczkiewicz, M., Dérer, J., Manca, D., Dobročka, E., Samardak, A.S., Grajcar, M., and Cambel, V.: Ferromagnetic resonance study of sputtered Pt/Co/Pt multilayers, Applied Surface Sci 461 (2018) 202-205.

Tóbik, J., Martoňák, R., Cambel, V., : Free-energy landscapes in magnetic systems from metadynamics. Phys. Rev. B 96 (2017)

Mruczkiewicz, M., Krawczyk, M., Guslienko, K., : Spin excitation spectrum in a magnetic nanodot with continuous transitions between the vortex, Bloch-type skyrmion, and Néel-type skyrmion states,. Phys. Rev. B 95 (2017) 094414.

Mruczkiewicz, M., Graczyk, P., Lupo, P., Adeyeye, A., Gubbiotti, G., and Krawczyk, M. : Spin-wave nonreciprocity and magnonic band structure in a thin permalloy film induced by dynamical coupling with an array of Ni stripes, Phys. Rev. B 96 (2017) 104411.

Zeissler, K., Mruczkiewicz, M., Finizio, S., Raabe, J., Shepley, P., Sadovnikov, A.V, Nikitov, S.A., Fallon, K., McFadzean, S., McVitie, S., Moore, T., Burnell, G., and Marrows, C.: Pinning and hysteresis in the field dependent diameter evolution of skyrmions in Pt/Co/Ir superlattice stacks, Sci Rep. 7 (2017) 15125.

Cambel, V., Precner, M., Fedor, J., Šoltýs, J., Tóbik, J., Ščepka, T., Karapetrov, G., : High resolution switching magnetization magnetic force microscopy. Applied Phys. Lett. 102 (2013) 062405.