Диссертация (1149607), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Тем не менее следует ожидать, что именно трехмерные структуры станут основным предметом физики наномагнетизма в ближайшиегоды [158]. Можно выделить две основные стратегии синтеза трехмерныхнаноструктур. Техники, основанные на литографии, позволяющие создавать одиночные наночастицы практически любой наперед заданной формы. И методы, связанные с процессами самоорганизации, приводящими кформированию упорядоченных массивов наночастиц.Самые современные методики синтеза позволяют создавать одиночныетрехмерные наночастицы, имеющие сложную форму. На рис.
1.10(а) ирис. 1.10(б) представлены соответственно усеченный икосаэдр, полученныйметодом двухфотонной лазерной литографии [159], и наноспираль, синтезированная посредством осаждения материала из газовой фазы, индуцированного фокусированным пучком электронов (FEBID) [123]. Распределение намагниченности в подобных наночастицах в принципе может бытьопределено при помощи методов лоренцевой микроскопии [164] или электронной голографии [165, 166] с последующей верификацией результатовизмерений посредством микромагнитных расчетов.Однако непосредственное изучение магнитных конфигураций, возникающих в трехмерных массивах наночастиц, например в мезокристаллахчастиц магнетита (рис.
1.10(в)) [160, 167, 168], почти всегда является труд-28Рис. 1.11: Примеры трехмерных наноструктур: (а) СЭМ изображение поверхности гироида, выполненного из никеля и (б) модель его структуры [161], (в) сегментированная кобальтовая нанонить [162], (г) модель организации массива сегментированных нанонитей [163]29ной задачей.
Большой объем материала сильно поглощает рентгеновскиелучи и электроны, что затрудняет использование большинства техник, применяемых для изучения одиночных наночастиц. Кроме того, даже в случае успешного проведения измерений возникают существенные трудностипри их интерпретации. Таким образом, в настоящий момент не существует какой-либо одной экспериментальной техники, позволяющей однозначноопределить распределение намагниченности в трехмерных массивах наночастиц.
Для корректной идентификации магнитного состояния необходимоприменять несколько взаимодополняющих экспериментальных техник, например, поверхностно-чувствительные методы, интегральные магнитометрические методики и малоугловое рассеяние нейтронов (SANS). Каждыйиз этих методов позволяет получить некоторую косвенную информациюо магнитном упорядочении. В этой связи становится ясна необходимостьпостроения микромагнитной модели исследуемой структуры.
Параметрыданной модели могут быть скорректированы в соответствии с результатами экспериментов. В свою очередь, микромагнитные расчеты позволяютпровести интерпретацию всех экспериментов в рамках единой модели распределения намагниченности. Данная работа посвящена реализации этойпрограммы для инвертированных опалов, выполненных из никеля и кобальта.Отметим, что магнитные свойства многих перспективных трехмерных наносистем, например, гироидов [161] или сегментированных нанонитей [163] (рис. 1.11) изучены недостаточно подробно.
Так сегментированные нанонити могут стать основой для трехмерной магнитной памяти,однако детали магнитного упорядочения в данных объектах не вполне ясны [162, 163, 169, 170]. Комплементарное применение микромагнитного моделирования и экспериментальных техник может стать ключом к объяснению свойств подобных систем.1.5. Спиновый ледСпециальным образом организованные массивы наночастиц или связныепериодические структуры могут использоваться в качестве моделей для30изучения различных физических процессов.
Одним из самых интересныхпримеров таких систем являются так называемые искусственные спиновыельды, копирующие некоторые свойства геометрически фрустрированныхмагнетиков. В данном разделе обсуждаются основные свойства атомныхспиновых льдов, а также различные варианты реализации искусственныхспиновых льдов.1.5.1. Атомный спиновый ледВ 1930-х годах были проведены детальные экспериментальные исследования поведения энтропии водяного льда при низких температурах [171,172].Было установлено существование некоторой остаточной энтропии.
Данноеявления было объяснено Полингом [173]. Структуру водяного льда можнопредставить в виде тетраэдров, в центре которых расположены атомы кислорода (рис. 1.12(a)). Атомы водорода находится на линиях, соединяющихцентры тетраэдров с их вершинами. В каждом тетраэдре два атома водорода расположены ближе к атому кислорода, образуя молекулу H2 O, а двадругих атома водорода дальше.
Данное утверждение составляет так называемое правило льда. Правило льда не фиксирует то, какие именно атомыводорода должны быть расположены ближе к атому кислорода. Легко показать, что в каждом тетраэдре могут реализовываться 6 конфигураций,соответствующих различным положениям атомов водорода, что приводитк вырожденности основного состояния системы и появлению остаточнойэнтропии при малых температурах.Интерес к правилу льда усилился в 1990-х годах в связи с открытиемнеобычных свойств магнетиков Ho2 Ti2 O7 и Dy2 Ti2 O7 со структурой пирохлора [174–176]. В данных соединениях магнитные моменты расположены вобобществленных вершинах тетраэдров. Одноионная анизотропия направляет их вдоль направлений типа {111}, соединяющих центры тетраэдров сих вершинами.
Таким образом, магнитные моменты можно считать изинговскими. При этом взаимодействие между магнитными моментами является ферромагнитным. В результате в системе возникает геометрическаяфрустрация, так как ферромагнитные взаимодействия между соседними31Рис. 1.12: (а) Структура водяного льда, синие сферы - атомы кислорода,красные сферы - атомы водорода; (б) тетраэдр, образующий магнитнуюструктуру спинового льда, стрелками обозначены направления магнитныхмоментов атомов, находящихся в вершинах тетраэдра [179].моментами конкурируют друг с другом. Не существует конфигурации магнитных моментов, позволяющей минимизировать энергии всех парных взаимодействий.
Состояние с общей минимальной энергией реализуется, еслив каждом тетраэдре два магнитных момента направлены внутрь него, а двадругих наружу (2-in-2-out rule) (рис. 1.12(б)). В связи с аналогией междуданным утверждением и принципом, сформулированным Полингом дляводяного льда, оно было названо правилом спинового льда [177]. Соединения, магнитную структуру которых можно описать данным правилом,называют спиновыми льдами.Оказалось, что синтез бездефектных монокристаллов спиновых льдовможет быть осуществлен проще, чем создание качественных монокристаллов водяного льда [177]. Кроме того, на свойства спиновых льдов можновоздействовать с помощью приложения внешнего магнитного поля.
В связи с этим данные системы активно исследовались в последние годы [178].В частности было обнаружено, что магнитные возбуждения в спиновыхльдах можно представить в виде магнитных монополей, взаимодействующих между собой согласно закону Кулона [179–181].32Системы, управляемые правилом спинового льда и различными его вариациями, могут быть реализованы на основе различных нано- [182–184] идаже макроструктур [185].
Такие системы называют искусственными спиновыми льдами. Одним из наиболее обширных классов таких объектов являются ферромагнитные наноструктуры.1.5.2. Двумерный искусственный спиновый ледИскусственные спиновые льды на основе ферромагнитных наноструктурчаще всего представляют собой массивы тонких прямоугольных наночастиц или связные системы, состоящие из элементов, обладающих существенной анизотропией формы. Вследствие анизотропии магнитные моменты наночастиц можно считать изинговскими.
Расположение наночастицв массиве подбирается так, чтобы основное состояние системы оказалосьвырожденным. При этом взаимное расположение магнитных моментов всоседних элементах определяется аналогами правила спинового льда [6].Данные наноструктуры являются удобными модельными системамидля изучения геометрической фрустрации и свойств магнитных монополейпо нескольким причинами.
Во-первых, методы синтеза позволяют задаватьрасположение и форму наноэлементов в массиве, что открывает дополнительные возможности гибкой настройки их магнитных свойств. Во-вторых,современные методики анализа, обсуждавшиеся выше, допускают исследование магнитных конфигураций, реализующихся в каждом наноэлементе.Кроме того, обычно для исследования ферромагнитных наноструктур нетребуются сильные магнитные поля или сверхнизкие температуры, что делает их более удобными объектами для изучения, чем атомные спиновыельды.Одной из первых работ, посвященных исследованиям искусственныхспиновых льдов на основе ферромагнетиков, была статья Wang, опубликованная в 2006 году [186].
Авторы изучали массивы анизотропных наночастиц, упорядоченных в квадратную решетку (рис. 1.13а,б). Магнитное состояние наночастиц определялось с помощью МСМ. Было обнаружено, что большинство наблюдаемых в системе конфигураций магнитных33моментов описывается правилом спинового льда.
Тем не менее анизотропия дипольного взаимодействия между наночастицами приводит к снятию вырождения основного состояния [187, 188]. Разнообразие различныхконфигураций магнитных моментов, наблюдаемое в ранних работах, было связано с тем, что система не находилась в основном состоянии прикомнатной температуре вследствие большой величины температуры блокировки наночастиц [189, 190]. В связи с этим активно изучались методы "отжига"искусственных спиновых льдов, позволяющих перевести ихв основное состояние.
Среди них можно выделить протоколы размагничивания с помощью переменных и вращающихся магнитных полей [191];специальном образом организованные процедуры синтеза образцов, позволяющие получить массивы наночастиц, находящихся в основном состоянии [192]; методы, основанные на нагревании образцов вплоть до температуры Кюри [190]. Методики, связанные с разогревом наноструктур, показали наивысшую эффективность в случае наночастиц, выполненных изпермаллоя [193]. Данные методы были успешно применены также и к искусственным спиновым льдам, обладающим другой симметрией [193].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
