Математические модели взаимной подстройки сверхпроводимости и магнетизма в структурах ферромагнитный изолятор–сверхпроводник

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Математические модели взаимной подстройки сверхпроводимости и магнетизма в структурах ферромагнитный изолятор-сверхпроводник

05.13.18. Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

01.04.02 - теоретическая физика

Парфенова Елена Леонидовна

Казань - 2006

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Хусаинов Мансур Гарифович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Елизаров Александр Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор Тимеркаев Борис Ахунович

Ведущая организация: Институт физики металлов УрО РАН (Екатеринбург)

Защита состоится «2» февраля 2007 г. в 13 на заседании диссертационного совета Д 212.079.01 в Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.

Автореферат разослан «21» декабря 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор П. Г. Данилаев.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Кристаллические структуры, образованные чередованием слоев ферромагнитного изолятора (FI) и сверхпроводника (S), являются новым классом слоистых веществ с уникальными электронными и магнитными свойствами, зависящими как от свойств материалов FI и S, так и от их толщин. Антагонизм сверхпроводимости и ферромагнетизма делает совершенно нетривиальной проблему их взаимной подстройки в слоистых FI/S-структурах. Подход с точки зрения математического моделирования к решению вопроса о сосуществовании двух явлений дальнего порядка в данных системах является наиболее перспективным, так как физическое моделирование может содержать большое количество второстепенных взаимодействий. В математической же модели можно сочетать математическую строгость и физическую простоту, пренебрегая второстепенными факторами.

В рассматриваемых FI/S-системах возникает ряд проблем, связанных с конкуренцией сверхпроводимости и магнетизма. В частности, не ясна природа внутренних полей, вызывающих расщепление БКШ-пика в плотности состояний электронов проводимости алюминия в туннельных контактах с двуслойными электродами EuO/Al и EuS/Al, где EuO и EuS являются ферромагнитными диэлектриками. При увеличении магнитного поля в этих FI/S-контактах наблюдается фазовый переход первого рода в нормальное состояние, хотя известные модели для данной области полей предсказывают переход второго рода. Следует также отметить, что в слоистых FI/S-структурах чрезвычайно важным становится вопрос о механизме взаимодействия ферромагнитных слоев через сверхпроводящие.

Таким образом, в настоящее время нет достаточно полной и последовательной математической модели взаимодействий в слоистых структурах, которая служила бы основой для интерпретации уже имеющихся опытных данных и постановки новых экспериментов в этой быстро прогрессирующей области физики твердого тела. Необходимость построения такой модели является актуальной задачей, имеющей существенное значение для нанотехнологий, связанных с исследованием процессов сосуществования и взаимной подстройки сверхпроводимости и магнетизма в слоистых структурах ферромагнитный изолятор - сверхпроводник.

Объектом исследования являются слоистые структуры (контакты FI/S и трислои FI/S/FI), образованные массивным ферромагнитным диэлектриком (FI) и тонким слоем сверхпроводника (S).

Предметом исследования является трехмерное математическое моделирование взаимодействия сверхпроводимости и магнетизма в слоистых структурах ферромагнитный изолятор-сверхпроводник.

Целью работы являются построение математической модели для реального описания процессов взаимного влияния сверхпроводимости и магнетизма в слоистых структурах ферромагнитный диэлектрик (FI) - сверхпроводник (S); а также исследование новых состояний, сочетающих сверхпроводимость и неоднородный магнетизм в рамках этой модели.

Научная задача состоит в теоретическом анализе сверхпроводящих и магнитных свойств FI/S-контактов и FI/S/FI-трислоев на основе трехмерной математической модели, отражающей магнитные и сверхпроводящие состояния внутри слоев, а также природу магнитных взаимодействий между слоями.

Для достижения обозначенной цели и решения поставленной задачи необходимо:

· построить модельный функционал свободной энергии, описывающий магнитные и сверхпроводящие состояния внутри слоев, а также природу магнитных взаимодействий между слоями; вычислить глубину проникновения поверхностных искажений магнитного порядка вглубь ферромагнитного диэлектрика;

· путем минимизации этого функционала по магнитному и сверхпроводящему параметрам порядка найти возможные варианты основных состояний FI/S-наноструктур при температуре Т=0К и построить фазовые диаграммы;

· модернизировать функционал свободной энергии в рамках теории фазовых переходов Ландау и описать температурную динамику диаграмм состояний FI/S-контактов и FI/S/FI-трислоев вблизи критической температуры Т=Т_с;

· исследовать возможность применения FI/S/FI-наноструктур в качестве логических элементов (приборов) со сверхпроводящим и магнитным каналами записи информации.

Методы исследований. В диссертационной работе использовались аналитические методы решения и математические модели теории фазовых переходов. Диаграммы состояний FI/S-систем, полученные в результате минимизации функционала свободной энергии, анализировались численно с помощью пакета программ MATHLAB.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи, применением современных методов математического моделирования, согласованностью разработанной теории с предельными случаями известных моделей и результатами физических экспериментов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Построена трехмерная математическая модель взаимодействий для FI/S-контактов и FI/S/FI-трислоев, в рамках которой исследованы различные варианты взаимной подстройки сверхпроводимости и ферромагнетизма.

2. Найдены условия сосуществования фаз с несоразмерным магнитным упорядочением в FI-слоях со сверхпроводимостью в S-слое, предсказано критическое поведение межфазных границ в окрестности необычной точки Лифшица.

3. Впервые определена глубина проникновения поверхностных искажений магнитного порядка в толщу ферромагнитного изолятора, граничащего со сверхпроводником.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке реалистической математической модели сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в двух и трехслойных структурах ферромагнитный изолятор-сверхпроводник.

Научно-практическая ценность работы состоит в следующем: описанное в диссертации критическое поведение межфазных границ в окрестности необычной точки Лифшица, а также каскады чередующихся магнитных и сверхпроводящих переходов при изменении температуры, обменного поля и величины внешнего магнитного поля, в случае их обнаружения, позволят освоить производство записывающих устройств, которые будут сочетать запись информации на сверхпроводящем и магнитном каналах в одном образце. Подобные схемы сверхпроводящей магнитной электроники (наноэлектроники) могут быть разработаны и на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Для их охлаждения достаточно использовать «азотные», а не «гелиевые» температуры, что сулит экономический эффект. Кроме того, варьируя толщину FI и S-слоев, можно получить структуры с заранее заданными сверхпроводящими и магнитными свойствами.

Публикации и апробация результатов. Основные научные результаты опубликованы в 11 работах, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 4 статьи и 6 работ в материалах и трудах конференций.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах: в НИИ математики и механики им. Н. Г. Чеботарева Казанского государственного университета, в Отделении теоретической и математической физики Института физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург), на кафедре естественно-научных дисциплин Казанского государственного технического университета (КГТУ) им. А. Н. Туполева. Кроме того, результаты диссертации доложены на международных и российских научных конференциях: Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, МГУ, 2005 г.), 24-th International Conference on Low Temperature Physics (Orlando, Florida USA, 2005 г.), Международная молодежная конференция «Туполевские чтения», посвященная 1000-летию города Казани (Казань, 2005 г.), III Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2005 г.), Международная зимняя школа физиков-теоретиков (Кыштым, 2006 г.), 8-th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (Drezden, Germany, 2006).

Реализация результатов работы. Данные исследования проведены в рамках госбюджетной темы КГУ им. В. И. Ульянова-Ленина: «Неоднородные сверхпроводящие и магнитные состояния в наноструктурах ферромагнетик-сверхпроводник» при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 05-02-16369, 04-02-16761). Материалы работы используются в учебном процессе КГТУ им. А. Н. Туполева при чтении курса лекций по дисциплине «Физические основы получения информации».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Трехмерная математическая модель взаимной подстройки сверхпроводимости и магнетизма для двухслойных (FI/S) и трехслойных (FI/S/FI) наноструктур.

2. Оценка глубины проникновения д поверхностных искажений магнитного порядка в толщу ферромагнитного изолятора, граничащего со сверхпроводником.

3. Варианты сосуществования сверхпроводящего и магнитного параметров порядка вблизи Т=0К.

4. Зависимость температуры сверхпроводящего перехода Т_с для FI/S-контактов и FI/S/FI-трислоев от величины обменного поля h локализованных спинов FI/S-границы и толщины S-слоя d_s.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 86 наименований. Работа изложена на 133 страницах, включая 14 рисунков.

Автор выражает благодарность официальному научному консультанту зав. кафедрой теоретической физики Казанского государственного университета, д. ф.-м. наук, профессору Ю.Н. Прошину за научные консультации.

Краткое содержание работы

Личный вклад автора. Постановка задач принадлежит научному руководителю. Построение математической модели обменных взаимодействий для толстослойных FI/S-контактов и FI/S/FI-трислоев, изучение вопроса зависимости температуры сверхпроводящего перехода Т_с для FI/S-контактов FI/S/FI-трислоев от величины обменного поля h локализованных спинов FI/S-границы и толщины S-слоя d_s., вычисление глубины проникновения д поверхностных искажений магнитного порядка в толщу ферромагнитного изолятора, граничащего со сверхпроводником выполнялись соискателем. Написание статей проводилось совместно с научным руководителем.

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, а также дано краткое описание работы и приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе, носящей обзорный характер, кратко изложены элементы теории Ландау фазовых переходов второго рода, механизмы подавления сверхпроводящего состояния в металлах, произведен анализ экспериментов и вариантов сосуществования сверхпроводимости и ферромагнетизма в FI/S-системах.

Во второй главе построена трехмерная математическая модель взаимодействия сверхпроводимости и магнетизма для систем, полученных чередованием слоев ферромагнитного диэлектрика и сверхпроводника (FI/S). Наряду с прямым обменом ближайших соседей по ферромагнитным слоям она учитывает еще и косвенный обмен Рудермана - Киттеля - Касуйи - Иосиды (РККИ) локализованных спинов (ЛС), расположенных на FI/S-гpaницах, через электроны проводимости сверхпроводящего слоя.

При построении модели взаимодействия использован следующий модельный гамильтониан

где H_FI описывает прямое взаимодействие между ближайшими локализованными спинами ферромагнитного диэлектрика, H_S - куперовское спаривание электронов проводимости, рассеивающихся на немагнитных примесях, H_FI/S - s-d обменное взаимодействие магнитных моментов ферромагнитного диэлектрика и электронов проводимости сверхпроводника.

В рамках данной модели мы предполагаем, что наиболее сильные искажения магнитного порядка происходят на границе раздела FI/S и описываются двумерным волновым вектором q в плоскости x-y FI/S-границы. Вглубь ферромагнитного изолятора поверхностные искажения спадают экспоненциально и характеризуются коэффициентом затухания q_z. Поэтому ориентацию магнитных моментов атомов задаем выражением

В работе впервые для трехмерного случая получена формула для средней энергии прямого обмена локализованных спинов, упорядоченных в простую кубическую решетку в FI-области, которая применена при математическом моделировании:

.

После усреднения по электронным и спиновым переменным в рамках приближения самосогласованного поля функционал поверхностной плотности свободной энергии принимает вид

,

где f_FI⁰ и f_N⁰ - плотности свободной энергии FI-слоя и S-пленки в нормальном состоянии, J - обменный интеграл прямого взаимодействия ЛС, J_sd - s-d-обменный интеграл, <S> - термодинамическое среднее ЛС, a - период магнитной решетки, d_f - толщина ферромагнитного слоя, d_s - толщина сверхпроводящего слоя, Д - сверхпроводящий параметр порядка, N(0) - плотность состояний вблизи энергии Ферми. Третье слагаемое функционала описывает проигрыш в энергии прямого обмена за счет длинноволновой модуляции ферромагнитного упорядочения ЛС. Четвертое слагаемое играет двоякую роль. С одной стороны, оно описывает дальнодействующие антиферромагнитные корреляции приграничных ЛС через куперовские пары сверхпроводника, а с другой - учитывает подавление параметра порядка Д за счет парамагнитного эффекта этих спинов. Наконец, последнее слагаемое отвечает за выигрыш в энергии конденсации, связанный с переходом S-пленки в сверхпроводящее состояние.

Рассчитана глубина д поверхностных искажений в толщу ферромагнетика: магнетизм ферромагнитный диэлектрик сверхпроводник

.

Отсюда следует, что чем мелкомасштабнее поверхностная модуляция магнитного упорядочения, тем на меньшую глубину она проникает.

В рамках описанной модели изучению возможных основных состояний FI/S-контактов посвящен §2.4. Минимизация функционала свободной энергии, учитывающего конкуренцию сверхпроводимости и ферромагнетизма, приводит к наличию трех различных основных состояний FI/S-контакта, реализация которых зависит от величин

Параметр В имеет смысл отношения абсолютных величин антиферромагнитного и ферромагнитного молекулярных полей, приходящихся на каждый локализованный спин FI/S-границы соответственно за счет обмена РККИ через сверхпроводящие электроны S-слоя и за счет прямого обмена в FI-слое. Величина h есть среднее обменное поле, действующее на электроны проводимости со стороны локализованных спинов FI/S-границы. Показано, что в зависимости от величины В_с критического баланса антиферромагнитного и ферромагнитного молекулярных полей контакты делятся на два типа (рис. 1):

а) контакты FI/S первого типа (рис. 1а) с В_с <1 допускают только однородное ферромагнитное упорядочение в FI-слое, которое при обменных полях h < h_c сосуществует со сверхпроводимостью в подслое S (FS-фаза). При h ? h_c контакты FI/S путем фазового перехода первого рода оказываются в нормальном состоянии (FN-фаза);

б) в FI/S-контактах второго типа (рис. 1б) с В_с >1 фаза FS имеет место лишь при h < h_c1. При h_c1 < h < h_c2 сверхпроводящая подложка S наводит в FI-слое неоднородную криптоферромагнитную модуляцию (CFS-фаза) за счет дальнодействующего антиферромагнитного обмена РККИ между локализованными спинами. Переход FSCFS в точке h = h_c1 является фазовым переходом второго рода. Волновой вектор q в CFS-фазе изменяется от q=0 при h = h_c1 до q >> d_s^-1 при h = h_c2, если В_с >>(/d_s)², где d_s - толщина сверхпроводящего слоя, а - длина когерентности (d_s<<). В точке h=h_c2 происходит фазовый переход первого рода CFSFN.

Рис. 1. Зависимости сверхпроводящего параметра порядка Д и волнового вектора q от обменного поля h для FI/S-контактов первого типа с B_c<1 (q=0) (a) и второго типа с B_c>1 (б).

Варианты взаимной подстройки сверхпроводимости и ферромагнетизма при Т=0 К в трислоях FI/S/FI, рассматриваемые в §2.5, также зависят от типа, который определяется своим критическим отношением молекулярных полей В_c^* (рис. 2), а именно:

а) для трислоев первого типа (рис. 2а) с В_c^* < 1 при h < h_c^* характерно 3D-поведение, соответствующее слоистому антиферромагнитному сверхпроводящему состоянию (AFS). Оно обусловлено дальнодействующим обменом РККИ между локализованными спинами соседних FI-слоев через сверхпроводящую прослойку. При h h_c^* трислои посредством фазового перехода первого рода оказываются в нормальном состоянии (FN-фаза). Одновременно с разрушением сверхпроводимости исчезает дальнодействующая связь между FI-слоями, и FI/S/FI-система в магнитном отношении становится квазидвумерной (2D);

б) в трислоях второго типа (рис. 2б) с В_c^* > 1 состояние AFS имеет место лишь для h<h_c1^* (<h_c^*). При h = h_c1^* путем фазового перехода второго рода оно трансформируется в слоистое криптоферромагнитное состояние CFS (3D), которое в свою очередь посредством перехода первого рода при h=h_c2^* уступает место состоянию FN (2D). Если В_c^* >> 1, то области hh_c1^* отвечает крупномасштабная (q^-1>>d_s) модуляция спинового упорядочения со сдвигом по фазе на между соседними FI-слоями (CFS(3D)-поведение). Области же hh_c2^* соответствует квазидвумерное CFS(2D)-поведение трислоев FI/S/FI, когда мелкомасштабные (q^-1<<d_s) осцилляции в спиновой структуре FI-слоев приводят к экспоненциально слабому обмену РККИ между ними.

Рис. 2. Зависимости сверхпроводящего параметра порядка Д и волнового вектора q магнитной структуры от обменного поля h для трислоев FI/S/FI первого типа с B_c^* <1 (q=0) (a) и второго типа с B_c^* >1 (б)

Особое внимание уделяется возникновению сверхпроводящих магнитоупорядоченных фаз, несоразмерных с периодом кристаллической решетки FI- и S-слоев. Природа возникновения этих фаз в FI/S-системах лежит в конкуренции между прямым короткодействующим ферромагнитным обменом локализованных спинов FI/S-границы и дальнодействующим антиферромагнитным обменом РККИ между ними через куперовские пары.

Диаграммы состояний веществ, обладающих несоразмерными фазами, характеризуются наличием тройной точки - точки Лифшица L, в которой сходятся сразу три фазы: исходная, соразмерная и несоразмерная. Период несоразмерной фазы при подходе к точке Лифшица увеличивается и обращается в ней в бесконечность.

Третья глава посвящена исследованию температурной динамики взаимного влияния сверхпроводимости и ферромагнетизма и построению соответствующих фазовых диаграмм рассматриваемых FI/S-систем. Предложенная в главе 2 обменная модель эффекта близости изучается в рамках теории фазовых переходов Ландау. Для температур, близких к критической Т?Т_с, в выражении плотности свободной энергии необходимо заменить последнее слагаемое, ответственное за выигрыш в энергии за счет куперовского спаривания электронов в S-слое, на разложение Ландау по степеням параметра Д:

.

В рамках теории фазовых переходов Ландау в §3.2 найдена зависимость критической температуры Т_c FI/S-контактов от толщины d_s сверхпроводящего слоя и величины h обменного поля, создаваемого локализованными спинами FI/S-границы. Построены соответствующие фазовые диаграммы (см. рис. 3). FI/S-контакты первого типа (см. рис. 3а) с В_с<1, где В_с = В при нулевой температуре и критическом обменном поле h_c, допускают сосуществование со сверхпроводимостью только однородного ферромагнитного упорядочения. Критическая температура Т_с(h) на линии фазовых переходов T_c0-t фазовых переходов второго рода определяется формулой

.

На линии t-h_c фазовых переходов первого рода функция Т_с^? (h) определяется выражением

Координаты трикритической точки t (T = T_t = T_с0(1-з) и h = h_t), в которой происходит смена рода фазового перехода, находятся из условий одновременного равенства нулю коэффициентов разложения Ландау по степеням параметра Д. Линия фазовых переходов второго рода Т_c1(h) (см. рис. 3б) определяется уравнением

кривая Т_с1(h) проходит через максимум, обеспечивая тем самым возвратное FS-CFS-FS поведение системы в определенном интервале обменных полей между h_c1 и h_L при фиксированной температуре. Вблизи точки Лифшица L кривая Т_с2(h) (см. рис. 3б) переходов первого рода, отделяющая ферромагнитную нормальную фазу FN от сверхпроводящей фазы CFS ссинусоидально модулированным магнитным порядком, определяется из равенства свободной энергий этих фаз, и мы получаем

Рис. 3. Фазовые диаграммы (T_c, h) FI/S-контактов первого типа с B_c<1 (а) и второго типа с B_c>1 (б). Сплошными линиями изображены кривые фазовых переходов второго рода, штриховыми - кривые переходов первого рода. В верхней части рисунков показано поведение равновесных параметров порядка Д и волнового вектора q вдоль линии переходов T_c0 - t - h_c (a) и T_c0 - t - L - h_c2 (б).

Следующий §3.3 посвящен исследованию температурной динамики взаимного влияния сверхпроводимости и ферромагнетизма и построению фазовых диаграмм для трислоев FI/S/FI (рис. 4). В рамках теории фазовых переходов Ландау найдена зависимость критической температуры Т_с FI/S/FI-систем от толщины d_s сверхпроводящего слоя и от величины h обменного поля, создаваемого локализованными спинами FI/S-границы, с учетом межслойного FI-FI обмена РККИ через сверхпроводящую прослойку S. Фазовая диаграмма FI/S/FI трислоёв первого типа (рис. 4а) с В_с^* < 1, где В_с^*=В^* (h_c = h_c^*, Т = 0К), включает кривую перехода T_c^*(h) фазовых переходов второго рода и линию T_c^*(h) переходов первого рода, которые сменяют друг друга в трикритической точке t^*. Линии переходов T_c^*(h) и T_c^*(h) отделяют квазидвумерное (2D) поведение в FN фазе от трёхмерного (3D) в AFS фазе.

а б

Рис. 4. Фазовые диаграммы (T_c^*, h) трислоев FI/S/FI первого типа с В_c^*<1 (а) и второго типа с В_c^*>1 (б). Сплошными линиями изображены кривые фазовых переходов второго рода, штриховыми - кривые переходов первого рода. В верхней части рисунков показано поведение равновесных параметров порядка Д^* и волнового вектора q^* вдоль линии переходов T_c0 ^*- t^* - h_c^* (a) и T_c0^* - t^* - L^* - h_c2^* (б)

Антиферромагнитная ориентация намагниченностей FI-слоев, вызванная обменом РККИ через сверхпроводящую прослойку S, приводит к существенной компенсации парамагнитного эффекта локализованных спинов, разрушающего куперовские пары. Здесь h_с^* есть критическое обменное поле.

Отличительной чертой FI/S/FI-трислоёв второго типа (рис. 4б) с В_с^*>1 является присутствие точки Лифшица L^* на линии переходов первого порядка T_c^*(h). Все три возможные фазы FN, AFS и CFS сходятся в этой точке. В точке Лифшица L^* отношение молекулярных полей В^*1, а период криптоферромагнитной модуляции магнитного порядка стремится к бесконечности как q^-1 ~(В^*-1)^-1/2. Кривая T^*_c2 (h) фазовых переходов первого рода отделяет FN(2D) состояние от криптоферромагнитной сверхпроводящей CFS(3D) фазы. Линия фазовых переходов второго рода T_c1^*(h) (на ней q=0) разделяет AFS(3D) и CFS (3D) состояния, где h_с2^* и h_с1^* - верхнее и нижнее критические поля.

Таким образом, в предыдущих главах было показано, что «антиферромагнитная» конфигурация трёхслойной системы с противоположно направленными намагниченностями FI слоёв энергетически более выгодна по сравнению с «ферромагнитной» конфигурацией, т. к. имеет более высокую температуру T_c перехода в сверхпроводящее состояние. Физически это связано с уменьшением распаривающего действия обменного поля слоев FI на сверхпроводящие пары в «антиферромагнитной» конфигурации из-за частичной компенсации парамагнитного эффекта.

В четвертой главе предложен прибор сверхпроводящей спиновой электроники (спинтроники), основанный на богатых фазовых диаграммах FI/S/FI-наноструктур, включающих каскады чередующихся магнитных и сверхпроводящих переходов под действием внешнего магнитного поля. Такие приборы будут сочетать запись информации на сверхпроводящем и магнитном каналах в одном образце. На рис. 5 показана принципиальная схема ячейки памяти на трёхслойной структуре FI/S/FI, на которую одеты три обмотки: обмотка записи 1, опроса 2, считывания 3. Запись ведётся в двоичной системе: «1» и «0».

Взаимную ориентацию намагниченностей FI слоёв можно менять, например, прикладывая достаточно слабое внешнее магнитное поле H, большее соответствующего коэрцитивного поля H_coer. Как видно из рисунка (5а), в отсутствие магнитного поля (тока в обмотке 1) система находится в основном AFS состоянии S. Для переориентации намагниченностей FI слоёв, по обмотке 1 пропускается ток направления «1». Если суммарный парамагнитный эффект FI-слоёв меньше критического обменного поля h_c (рис.5б), то система перейдет в состояние S. Подобного состояния системы можно добиться при достаточно большой толщине сверхпроводящего слоя S. Тогда информация, записанная на сверхпроводящем токе, сохранится, а информация, записанная на магнитном порядке, изменится. В случае если суммарное обменное поле окажется больше критического, то сверхпроводящее состояние тонкого S-слоя будет разрушено, и система перейдет из сверхпроводящего состояния в нормальное, т.е. из состояния с нулевым сопротивлением в резистивное N(рис 5в).

а б в

Рис. 5 Схематичное изображение ячейки памяти с двумя каналами записи информации, управляемыми раздельно. 1 - обмотка записи, 2 - обмотка опроса, 3 -обмотка считывания. Через FI обозначены слои ферромагнитного диэлектрика, S - сверхпроводящая прослойка. Стрелками определено направление намагниченности FI слоев.

При этом одновременно с изменением информации, записанной на сверхпроводящем токе, сменится и информация, записанная на магнитном порядке. В этом случае будет происходить либо дублирование сверхпроводящего и магнитного каналов, если на обоих записана «1», либо одновременная перезапись на двух каналах, если были записаны, соответственно, «1» и «0». При выключении магнитного поля восстанавливаются «антиферромагнитная» ориентация намагниченностей (-фазный магнетизм) и сверхпроводящие свойства системы S.

Заключение

Сформулированы выводы и приведен перечень основных результатов, полученных в диссертационной работе.

Основные результаты работы

1. Построена математическая модель взаимной подстройки сверхпроводимости и магнетизма для двух и трёхслойных FI/S-систем (толстый слой ферромагнитного диэлектрика/сверхпроводник). В FI/S-контактах наряду c прямым обменом ближайших соседей по ферромагнитным слоям она учитывает еще и косвенный обмен РККИ локализованных спинов, расположенных на FI/S- гpaнице через электроны проводимости сверхпроводящего слоя. В FI/S/FI-трислоях учитывается еще и обмен РККИ между локализованными спинами соседних FI-слоев через сверхпроводящую прослойку S. Получен функционал свободной энергии для FI/S и FI/S/FI наноструктур с произвольной толщиной слоев FI.

2. На основе предложенной модели впервые вычислена глубина проникновения д поверхностных искажений магнитного порядка в толщу ферромагнитного изолятора, граничащего со сверхпроводником. Установлено, что величина д определяется периодом модуляции поверхностных искажений магнитной структуры.

3. Обосновано, что FI/S-контакты и трислои FI/S/FI, в зависимости от величины критического баланса антиферромагнитного и ферромагнитного молекулярных полей В_с и В_с^*, т. е. присутствия или отсутствия на фазовых диаграммах (Т_с,h) и (Т_с^*,h) точек Лифшица L и L^*, делятся на два различных типа.

4. Показана возможность создания ячейки памяти на основе трёхслойной структуры FI/S/FI, так как предлагаемая модель предсказывает каскад фазовых переходов CFSAFSFSFN под действием внешнего магнитного поля.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях

В статьях:

(издания, рекомендуемые ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций)

1. Парфенова, Е. Л. Обменная модель эффекта близости для наноструктур F/S/F / Е. Л. Парфенова, Д. С. Саттаров, М. Г. Хусаинов // Вестник Казанского государственного технического университета. - Казань, 2006. - № 1(41). - С. 45 - 48.

(другие издания):

2. Парфенова, Е. Л. Конкуренция сверхпроводимости и магнетизма в трехслойных структурах ферромагнетик /сверхпроводник/ ферромагнетик / Д. С. Саттаров, Е. Л. Парфенова, Ю. Н. Прошин, М. Г. Хусаинов // Электронное приборостроение. - Казань: ЗАО «Новое знание», 2005. - Вып. 4 (45). - С. 56 - 64.

3. Parfenova, E. Exchange model of proximity effect in ferromagnet/superconductor nanostructires/ E. L. Parfenova, M. M. Khusainov, D. S. Sattarov, Y. N. Proshin, M. G. Khusainov // Proceedings of Moscow International Symposium on magnetism. - Moscow, 2005. - P. 90 - 94.

4. Parfenova, E. L. Spin Screening And Inverse Proximity Effect In F/S Nanostructures / M. M. Khusainov, E. L. Parfenova, Yu. N. Proshin, and M. G. Khusainov // AIP Conference Proceedings. - Orlando, Florida, USA, 2006. -Vol. 850. - P.909 - 910.

5. Parfenova, E. Exchange model of proximity effect in ferromagnet/ superconductor nanostructires / E. L. Parfenova, M. M. Khusainov, D. S. Sattarov, Y. N. Proshin, M. G. Khusainov // AIP Conference Proceedings. -Orlando, Florida, USA, 2006. - Vol.850. - P.903 - 904.

6. Парфенова, Е. Л. Взаимная подстройка ферромагнетизма и сверхпроводимости в трислоях ферромагнетик /сверхпроводник /ферромагнетик / Е. Л. Парфенова, Д. С. Саттаров, М. Г. Хусаинов // Международная зимняя школа физиков-теоретиков:программа и тезисы докладов XXXI международной зимней школы физиков-теоретиков. - Екатеринбург, 2006. - C.89.

7. Parfenova, E. Exchange model of proximity effect in ferromagnet/superconductor nanostructires / E. L. Parfenova, D. S. Sattarov, Y. N. Proshin, M. G.Khusainov // Books of Abstract of Moscow International Symposium on magnetism. - Moscow, 2005. - P. 65 - 66.

8. Parfenova, E. L. Exchange model of proximity effect for the F/S nanostructires / E. L. Parfenova, D. S. Sattarov, Y. N. Proshin, M. G. Khusainov // Low Temperature Physics:оfficial Conference Book 24^th International Conference on Low Temperature Physics. - Orlando, Florida, USA, 2005. - P. 17.

9. Парфенова, Е. Л. Конкуренция между ферромагнетизмом и сверхпроводимостью в трехслойной структуре ферромагнитный диэлектрик /сверхпроводник /ферромагнитный диэлектрик / Е.Л. Парфенова, Д.С. Саттаров, М.Г. Хусаинов // Физические свойства металлов и сплавов:сборник тезисов докладов III Российской научно-технической конференции. - Екатеринбург, 2005. - C. 74.

10. Парфенова, Е. Л. Обменная модель эффекта близости в F/S/F-структурах / Е. Л. Парфенова, Д. С. Саттаров, Ю. Н. Прошин, М. Г. Хусаинов // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани. Материалы конференции. - Казань, 2005. - Т.4. - C. 139 - 140.

11. Parfenova, E. L. Exchange model of proximity effect for the FI/S nanostructires/ E. L. Parfenova, D. S. Sattarov, Y. N. Proshin, M. G. Khusainov // Abstract Booklet of 8^th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors. - Dresden, Germany, 2006. - P.151.

Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ. л. 1,0. Усл. печ. л.. 0,93. Усл. кр.-отт. 0,98. Уч.-изд.л.1,0.

Тираж 100 экз. Заказ И 228.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета

420111, Казань, К. Маркса, 10

Размещено на Allbest.ru