Diversi DOS di elettroni rappresentativi calcolati di Fe1−xAlx (x =0, 19, 25, e 50). Otto celle unitarie bcc con 16 atomi di Fe vengono utilizzate per costruire una supercella per calcoli DOS di Fe puro e per Fe1−xAlx con diverse concentrazioni x dove Fe su vari siti viene sostituito da Al. Le energie sono date rispetto all'energia di Fermi, Ef =5,87 eV, per confronto, e i valori numerici inseriti sono quelli del DOS all'energia di Fermi per FeAl con varie composizioni etichettate. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Lo smorzamento ultrabasso è di fondamentale importanza per le applicazioni spintroniche e spin-orbitroniche in una gamma di materiali magnetici. Però, il numero di materiali adatti per applicazioni spintroniche e spin-orbitroniche basate sulla carica è limitato a causa della dispersione di elettroni magnon. Per calcolare quantitativamente lo smorzamento ferromagnetico metallico di transizione, i ricercatori hanno proposto approcci teorici incluso il modello della superficie respiratoria di Fermi (per descrivere le dinamiche di magnetizzazione dissipativa), modello di correlazione di coppia generalizzata, teoria della dispersione, e il modello di smorzamento della risposta lineare. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Yangping Wei e un team di scienziati nel campo della scienza, magnetismo e materiali magnetici, e l'ingegneria chimica in Cina e Singapore hanno sperimentalmente dettagliato un parametro di smorzamento che si avvicina a 1,5 x 10 -3 per tradizionale, ferromagneti teneri di alluminuro di ferro fondamentale (FeAl). I risultati erano paragonabili a quelli dei ferromagneti metallici di transizione 3-D basati sul principio della densità elettronica minima degli stati.
Smorzamento magnetico ultrabasso
Lo smorzamento magnetico ultrabasso può consentire di soddisfare i requisiti di energia e velocità dei dispositivi per applicazioni spintroniche e spin-orbitroniche. Lattina di smorzamento ultrabasso, però, contraddicono i requisiti della corrente di carica per la maggior parte delle applicazioni poiché tali correnti di carica possono causare un elevato smorzamento a causa della dispersione di elettroni magnon. I materiali ittrio-ferro-granato (YIG) sono isolanti ferromagnetici con basso smorzamento e sono buoni candidati per ottenere proprietà di basso consumo energetico e alta velocità, adatto per dispositivi spintronici. Rispetto ai ferromagneti dei metalli di transizione 3-D, sforzi di ricerca sullo smorzamento magnetico dei tradizionali, ferromagneti teneri di alluminuro di ferro fondamentale (FeAl), che possiedono eccellenti proprietà meccaniche e funzionali a basso costo, rimangono rari. Lo smorzamento magnetico relativamente basso ottenuto per un sistema metallico FeAl può renderlo un materiale promettente per applicazioni spintroniche e spin-orbitroniche. In questo lavoro, Wei et al. ha esaminato la struttura elettronica di Fe 1−x Al X utilizzando calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) condotti con il pacchetto di simulazione di Vienna Ab initio (VASP) e l'approssimazione del gradiente generalizzato (GGA). Il team ha anche sviluppato un film in lega di Fe-Al monocristallino di alta qualità con uno spessore di 20 nm e uno strato di alluminio di copertura dello spessore di 3 nm su ossido di magnesio (MgO), utilizzando l'epitassia a fascio molecolare (MBE) e ha studiato l'effetto compositivo dello smorzamento sulle leghe. Il team ha quindi utilizzato metodi di diffrazione elettronica ad alta energia (RHEED) e diffrazione di raggi X ad alta risoluzione (HRXRD) a riflessione in situ per dimostrare la trama a dominio singolo dei film FeAl. Utilizzando scansioni di frequenza con varie misurazioni di risonanza ferromagnetica (FMR) a campo magnetico misto, Wei et al. trovato bassi effetti di smorzamento magnetico.
Diffrattometria e riflettometria a raggi X ad alta risoluzione di film in lega Fe1-xAlx su MgO. (A) Scansioni longitudinali HRXRD ω-2Θ dei film in lega Fe1−xAlx con varie concentrazioni di Al cresciute sul substrato MgO(100). Il picco contrassegnato da un asterisco è il riflesso del substrato Al2O3 per il caricamento dei campioni durante il test. I leggeri cambiamenti nell'angolo di diffrazione dei campioni spiegano la distorsione del reticolo, e le variazioni del reticolo sono indicate dal confronto con la linea tratteggiata rossa. Per Fe3Al, un evidente nuovo picco di diffrazione (200) appare a 30,7o. a.u., unità arbitrarie. (B) Scansioni azimutali HRXRD Ф dei piani Fe3Al{202} e MgO{202}. Per la scansione Fe3Al/MgO, si osservano quattro riflessioni a intervalli di 45o, indicando una simmetria quadrupla nel piano e una crescita epitassiale di rotazione relativa di 45o dei film di Fe3Al sul substrato di MgO. (C) Scansioni di riflettometria a raggi X ad alta risoluzione dei film Fe3Al / MgO in cui un adattamento corrispondente (marrone) fornisce uno spessore di 20 nm per Fe3Al e una rugosità di 0,7 e 0,4 nm per MgO e Fe3Al, rispettivamente. Riquadro:la curva di oscillazione HRXRD del picco Fe3Al (202) fornisce un'ampiezza completa a metà massimo di 0,49°. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Calcoli della teoria del funzionale densità e caratterizzazione delle strutture cristalline
Durante lo studio, Wei et al. ha utilizzato otto celle unitarie cubiche a corpo centrato (bcc) con 16 atomi di ferro per costruire una supercella per calcolare la densità degli stati di ferro puro (DOS). il Fe 1−x Al X conteneva diverse concentrazioni di x, dove il ferro in vari siti è stato sostituito da atomi di alluminio. Il team ha ottenuto diversi DOS rappresentativi per la lega FeAl e ha scoperto che mostravano un minimo a livello di Fermi a concentrazioni di alluminio del 25%. Il team ha quindi impostato la pressione della camera dell'epitassia a fascio molecolare progettata su misura per la crescita del campione a un ritmo favorevole per fabbricare alta qualità, Fe . monocristallino 1−x Al X film di lega in condizioni di non equilibrio. I modelli RHEED (diffrazione elettronica ad alta energia per riflessione) hanno mostrato il raggiungimento di una relazione di puro orientamento singolo. Il team ha valutato la dipendenza della struttura cristallina fine del Fe 1−x Al X film sulla concentrazione di alluminio utilizzando HRXRD (diffrazione di raggi X ad alta risoluzione). All'aumentare della concentrazione di alluminio, hanno notato la formazione di una soluzione solida di alluminio nel ferro. Il team ha quindi valutato lo spessore e la rugosità dei film utilizzando una scansione riflettometrica a raggi X.
Modelli RHEED di MgO orientato (a) (100), il fascio di elettroni è lungo la direzione nel piano di [010] e (b) (100) MgO orientato, il fascio di elettroni è lungo la direzione nel piano di [011]. (C, d) modelli RHEED di film Fe1-xAlx cresciuto su di esso, rispettivamente. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc5053
La dipendenza angolare della magnetizzazione residua e della risonanza ferromagnetica (FMR) e la dipendenza dell'anisotropia magnetocristallina dal contenuto di Al. (A) 0° è il punto di partenza lungo la direzione MgO[010] nelle curve angolo-rimanenti misurate che mostrano il secondo minimo Mr che indica la direzione di magnetizzazione dura corrispondente a Fe1−xAlx [011], e Mr raggiunge il suo valore massimo a 45o corrispondente alla facile direzione di magnetizzazione lungo il Fe1−xAlx [010]. La linea tratteggiata è una guida per identificare il primo e il secondo minimo Mr. (B) Isteresi magnetica lungo gli assi di magnetizzazione facile e difficile del Fe1−xAlx che mostra la dipendenza dalla concentrazione di Al. Il campo di saturazione lungo la direzione di magnetizzazione facile etichettata con 45o rimane costante e la direzione di magnetizzazione dura etichettata con 0o diminuisce all'aumentare delle concentrazioni di Al, indicando che l'anisotropia magnetocristallina di Fe1−xAlx diventa più debole con l'aumentare del contenuto di Al. (C) Spettri di assorbimento FMR derivati per Fe3Al da 0o (corrispondente alla direzione MgO[010]) a 180o a una frequenza delle microonde di 9,4 GHz. (D) Serie di campi risonanti adattati dai dati sperimentali per l'estrazione di H2∥ e H4∥. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Caratterizzazione della magnetizzazione basica
Per spiegare le direzioni di magnetizzazione facile e difficile dei film di ferro-alluminio, Wei et al. curve del residuo angolare misurate utilizzando un magnetometro a campione vibrante (VSM). Poiché la concentrazione di alluminio variava da zero a 25%, la magnetizzazione di saturazione del campione è cambiata. Nel frattempo, nella direzione della magnetizzazione dura, poiché il campo di saturazione diminuiva all'aumentare della concentrazione di alluminio, l'anisotropia magnetocristallina è diventata più debole. Per determinare il valore dell'anisotropia magnetica del materiale, il team ha utilizzato misurazioni di risonanza ferromagnetica dipendenti dall'angolo. Il team ha quindi misurato la coppia di smorzamento, noto come smorzamento di Gilbert nel setup, dove la sua direzione era data dal prodotto vettoriale della magnetizzazione per la sua derivata temporale. Ad esempio, il risultante parametro di smorzamento di Gilbert (α) per Fe 75 Al 25 film era paragonabile ai valori descritti in studi precedenti.
Determinazione dello smorzamento di Gilbert. (A) La frequenza di risonanza si sposta più in alto all'aumentare del campo esterno, e la dipendenza dalla larghezza di frequenza della frequenza è stata ottenuta mediante scansioni di frequenza per i film Fe75Al25. (B e C) Dipendenza dalla larghezza di frequenza corrispondente della frequenza per i film Fe75Al25 e Fe81Al19. I valori dei parametri di smorzamento di Gilbert sono stati adattati da un'equazione derivata nello studio ed erano α =1,5 × 10-3 e α =2,3 × 10-3, rispettivamente. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc5053
In questo modo, Yangping Wei e colleghi hanno osservato uno smorzamento magnetico ultrabasso di 1,5 x 10 -3 nei tradizionali ferromagneti cristallini FeAl ad una concentrazione di alluminio del 25%. Il lavoro offre una nuova opportunità per selezionare materiali a basso costo non limitati a elementi metallici di transizione 3-D per applicazioni spintroniche e spin-orbitroniche. Il team ha ottenuto questi nuovi risultati sulla base del principio della densità minima di stati proposto in precedenza. I risultati hanno ulteriormente verificato che lo smorzamento magnetico è proporzionale alla densità degli stati a livello di Fermi nella stessa lega. Il lavoro consente un nuovo approccio allo screening dei materiali per applicazioni spintroniche e spin-orbitroniche e amplia il metodo a una gamma più ampia di materiali a basso smorzamento.
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