Аномальный эффект Холла в гранулированных сплавах: температурная зависимость, размерный эффект и процессы спин-флипа

Актуальность темы

Недавно обнаруженные необычные свойства аномального эффекта Холла (АЭХ) в магнитных гранулированных сплавах «ферромагнитный металл-немагнитный металл» и композитах «ферромагнитный металл-диэлектрик», привлекли внимание, как экспериментаторов, так и теоретиков — магнитологов. Некоторые особенности АЭХ в гранулированных сплавах не нашли даже качественного объяснения в рамках ранее развитых теорий для однородных магнитных материалов и сплавов.

Являясь одним из наиболее важных среди всего многообразия кинетических эффектов в ферромагнетиках, АЭХ, обусловленный существованием спин-орбитального взаимодействия (СОВ), позволяет получить важную информацию об электронной структуре исследуемого материала, и исследовать особенности спин-зависящего рассеяния и микроструктуры магнитно-неоднородных систем.

Также следует отметить, что АЭХ все больше используется для измерения намагниченности в магнитных сенсорных устройства и перспективен для использования в спиновой электронике.

В связи с этим, немаловажным является создание последовательной теории этого явления, позволяющей описать АЭХ в неоднородных магнитных структурах. Такая теория позволит определить оптимальные материалы и допустимые интервалы температур для практического использования устройств, функциональность которых основывается на АЭХ.

Следует также отметить, что понимание механизмов формирования микроструктуры гранулированных материалов позволило бы контролировать процесс создания и поиска новых материалов со свойствами, оптимальными для практического использования. Важным также является понимание того, как размерные эффекты влияют на величину АЭХ, а также выявление механизмов, ответственных за большие значения величины порога перколяции в материалах с гигантским АЭХ.

Целью данной работы является теоретическое исследование температурной зависимости АЭХ в ферромагнитных гранулированных сплавах и нанокомпозитахизучение влияния размерных эффектов в таких структурахчисленное исследование явления перколяции в нанокомпозитахтеоретическое исследование влияния процессов спин-флипа на явления переноса в примесных ферромагнетиках.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Развита теория, описывающая температурную зависимость АЭХ в области высоких температур, как для сплавов «металл-металл», так и для композитов «металл-диэлектрик». Дано теоретическое объяснение имеющихся экспериментальных данных по температурной зависимости АЭХ в неоднородных магнитных системах.

2. В рамках квантово-статистической теории исследовано влияние размерного эффекта на величину АЭХ в нанокомпозитах «металл-диэлектрик».

3. Численным моделированием исследовано влияние взаимодействия между гранулами на величину порога перколяции в нанокомпозитах. Показано, что существование такого взаимодействия приводит к обнаруженному экспериментально увеличению порога перколяции в системах с гигантским АЭХ.

4. Теоретически предсказана важная роль вклада спин-флип процессов в формирование величин и температурной зависимости кинетических коэффициентов, включая АЭХ, в примесных ферромагнетиках в области низких температур.

Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту можно сформулировать следующим образом:

1. Температурная зависимость коэффициента АЭХ гранулированных сплавов в области высоких температур, для случая слабо зависящего от спина рассеяния описывается линейно-квадратичной зависимостью, с коэффициентами, зависящими от параметров, как объемного рассеяния, так и рассеяния на поверхности раздела гранулы и матрицы.

2. В случае сильного, зависящего от спина рассеяния для гранулированных сплавов с гигантским магнитосопротивлением в области высоких температур предсказано появление дополнительного, кубического по температуре, вклада в коэффициент АЭХ.

3. Теоретически объяснено наблюдаемое экспериментально ослабление температурной зависимости АЭХ в нанокомпозитах металл-диэлектрик.

4. Теоретически доказано существование линейной корреляции между вкладами в АЭХ и в сопротивление гранулированного сплава, возникающими за счет рассеяния электронов на интерфейсах. Подобная корреляция впервые была обнаружена экспериментально для тонких пленок.

5. С помощью численного эксперимента на ЭВМ получено, что существование взаимодействия между гранулами приводит к наблюдаемым экспериментально высоким значениям порога перколяции в гранулированных сплавах. Это связано с наличием в таких системах достаточно крупных кластеров сферической и несферической формы. Высокие значения порога перколяции в системах с гигантским АЭХ не связаны с их двухмерностью.

6. Показано, что в области низких температур, вклад в электросопротивление рассеяния с переворотом спина (спин-флипом) в примесном ферромагнетике за счет интерференционных процессов отличается от аналогичного вклада в чистых ферромагнетиках. Он может существенно изменить как величину, так и температурную зависимость сопротивления, магнитосопротивления и коэффициента АЭХ в гранулированных сплавах, а также мультислоях.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: XVII международной школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-17), Москва, (2000) — XXIX Международной зимней школе физиков-теоретиков Коуровка-2002, Екатеринбург, (2002) — EUROMAG, the Netherlands, Amsterdam, (2002) — XVIII международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-18), Москва,.

2002) — «Moscow International Symposium on magnetism», MISM-2002, Moscow, (2002).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях, 3 трудах конференций и 5 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы — 81 страница машинописного текста, включая 17 рисунков и библиографию из 80 наименований.

Заключение

.

В заключении перечислим наиболее существенные результаты настоящей работы:

1. Температурная зависимость коэффициента АЭХ гранулированных сплавов в области высоких температур, для случая слабого спин-зависящего рассеяния выражается линейно — квадратичной зависимостью, с коэффициентами, зависящими от величин как объемного, так и поверхностного рассеяния.

2. В случае сильного спин — зависящего рассеяния, для гранулированных сплавов с гигантским магнетосопротивлением, в области высоких температур предсказано появление дополнительного кубического по температуре вклада в коэффициент АЭХ.

3. Теоретически объяснено наблюдаемое экспериментально подавление температурной зависимости АЭХ в нанокомпозитах металл-диэлектрик.

4. Теоретически доказано существование линейной корреляции между поверхностными вкладами в АЭХ и поверхностным вкладом в сопротивление гранулированного сплава. Такая корреляция впервые была обнаружена экспериментально для тонких пленок.

5. Численным экспериментом на ЭВМ показано, что существование взаимодействия между гранулами приводит к наблюдаемым.

— 75 экспериментально высоким значениям порога перколяции в гранулированных сплавах, что связано с наличием в таких системах достаточно крупных кластеров сферической и несферической формы.

6. Показано, что в области низких температур, вклад спин-флип процессов в затухание электронов проводимости в примесном ферромагнетике отличается от аналогичного вклада в чистых ферромагнетиках, и может существенно изменить как величину, так и температурную зависимость сопротивления и коэффициента АЭХ в гранулированных сплавах.

— 76.

В заключение автор считает приятным долгом выразить глубокую признательность своим научным руководителям Александру Борисовичу Грановскому и Ольге Анатольевне Котел ышковой за предоставление интересной диссертационной работы, постоянное внимание, поддержку и многочисленные плодотворные обсуждения, без которых настоящая работа не была бы написана.