Vários DOS de elétrons representativos calculados de Fe1 − xAlx (x =0, 19, 25, e 50). Oito células unitárias bcc com átomos de 16 Fe são usadas para construir uma supercélula para cálculos DOS de Fe puro e para Fe1-xAlx com diferentes concentrações x onde Fe em vários locais são substituídos por Al. As energias são dadas em relação à energia Fermi, Ef =5,87 eV, para comparação, e os valores numéricos inseridos são aqueles do DOS na energia de Fermi para FeAl com várias composições rotuladas. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
O amortecimento ultralow é de importância fundamental para aplicações spintrônicas e spin-orbitrônicas em uma variedade de materiais magnéticos. Contudo, o número de materiais adequados para aplicações spintrônicas e spin-orbitrônicas baseadas em carga é limitado devido ao espalhamento magnon-elétron. Para calcular quantitativamente o amortecimento ferromagnético metálico de transição, pesquisadores propuseram abordagens teóricas, incluindo o modelo de superfície de Fermi de respiração (para descrever a dinâmica da magnetização dissipativa), modelo de correlação de torque generalizado, teoria de espalhamento, e o modelo de amortecimento de resposta linear. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Yangping Wei e uma equipe de cientistas da ciência, magnetismo e materiais magnéticos, e a engenharia química na China e em Cingapura detalhou experimentalmente um parâmetro de amortecimento próximo a 1,5 x 10 -3 para o tradicional, ferromagnetos macios de alumineto de ferro fundamental (FeAl). Os resultados foram comparáveis aos de ferromagnetos metálicos de transição 3-D baseados no princípio da densidade mínima de elétrons de estados.
Amortecimento magnético ultra baixo
O amortecimento magnético ultrabaixo pode permitir atender aos requisitos de energia e velocidade de dispositivos para aplicações spintrônicas e spin-orbitrônicas. O amortecimento ultra baixo pode, Contudo, contradiz os requisitos de corrente de carga para a maioria das aplicações, uma vez que tais correntes de carga podem causar alto amortecimento devido ao espalhamento magnon-elétron. Os materiais ítrio-ferro-granada (YIG) são isolantes ferromagnéticos com baixo amortecimento e são bons candidatos para alcançar propriedades de baixo consumo de energia e alta velocidade, adequado para dispositivos spintrônicos. Em comparação com ferromagnetos de metal de transição 3-D, esforços de pesquisa sobre o amortecimento magnético do tradicional, ferromagnetos macios de alumineto de ferro fundamental (FeAl), que possuem excelentes propriedades mecânicas e funcionais a baixo custo, permanecem raros. O amortecimento magnético comparativamente baixo obtido para um sistema metálico FeAl pode torná-lo um material promissor para aplicações spintrônicas e spin-orbitrônicas. Nesse trabalho, Wei et al. examinou a estrutura eletrônica do Fe 1 − x Al x usando cálculos de teoria funcional de densidade (DFT) conduzidos com o pacote de simulação Vienna Ab initio (VASP) e a aproximação de gradiente generalizado (GGA). A equipe também desenvolveu um filme de liga de Fe-Al monocristalino de alta qualidade com uma espessura de 20 nm e uma camada de alumínio de cobertura de 3 nm sobre óxido de magnésio (MgO), usando epitaxia de feixe molecular (MBE) e estudou o efeito composicional do amortecimento nas ligas. A equipe então usou métodos de difração de elétrons de alta energia de reflexão in situ (RHEED) e difração de raios-X de alta resolução (HRXRD) para demonstrar a textura de domínio único dos filmes FeAl. Usando varreduras de frequência com várias medições de ressonância ferromagnética (FMR) de campo magnético misto, Wei et al. encontraram baixos efeitos de amortecimento magnético.
Difratometria de raios X de alta resolução e refletometria de filmes de liga Fe1 − xAlx sobre MgO. (A) Varreduras longitudinais HRXRD ω-2Θ dos filmes de liga Fe1-xAlx com várias concentrações de Al cultivadas no substrato de MgO (100). O pico com asterisco é o reflexo do substrato Al2O3 para o carregamento de amostras durante o teste. As ligeiras mudanças no ângulo de difração das amostras são responsáveis pela distorção da rede, e as mudanças na rede são indicadas pela comparação com a linha tracejada vermelha. Para Fe3Al, um novo pico de difração óbvio (200) aparece a 30,7o. a.u., unidades arbitrárias. (B) Varreduras azimutais HRXRD Ф dos planos Fe3Al {202} e MgO {202}. Para a varredura Fe3Al / MgO, quatro reflexões em intervalos de 45o são observadas, indicando uma simetria quádrupla no plano e um crescimento epitaxial de rotação de 45o relativo dos filmes de Fe3Al no substrato de MgO. (C) Varreduras de refletometria de raios-X de alta resolução dos filmes Fe3Al / MgO, onde um ajuste correspondente (marrom) dá uma espessura de 20 nm para Fe3Al e uma rugosidade de 0,7 e 0,4 nm para MgO e Fe3Al, respectivamente. Detalhe:a curva de balanço HRXRD do pico Fe3Al (202) fornece uma largura total na metade do máximo de 0,49 °. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
Cálculos da teoria funcional da densidade e a caracterização de estruturas cristalinas
Durante o estudo, Wei et al. usou oito células unitárias cúbicas centradas no corpo (bcc) com 16 átomos de ferro para construir uma supercélula para calcular a densidade de estados de ferro puro (DOS). O Fe 1 − x Al x continha diferentes concentrações de x, onde o ferro em vários locais foi substituído por átomos de alumínio. A equipe obteve vários DOS representativos para a liga FeAl e descobriu que eles exibiam um mínimo no nível de Fermi em concentrações de alumínio de 25%. A equipe, então, definiu a pressão da câmara da epitaxia de feixe molecular projetada sob medida para o crescimento da amostra a uma taxa favorável para fabricar alta qualidade, Fe monocristalino 1 − x Al x filmes de liga sob condições de não-equilíbrio. Os padrões RHEED (difração de elétrons de alta energia de reflexão) mostraram a obtenção de uma relação de orientação simples pura. A equipe avaliou a dependência da estrutura de cristal fino do Fe 1 − x Al x filmes sobre a concentração de alumínio usando HRXRD (difração de raios-X de alta resolução). Conforme a concentração de alumínio aumentou, eles notaram a formação de uma solução sólida de alumínio em ferro. A equipe então avaliou a espessura e aspereza dos filmes usando uma varredura de refletometria de raios-X.
Padrões RHEED de (a) (100) MgO orientado, o feixe de elétrons está ao longo da direção no plano de [010] e (b) (100) - MgO orientado, o feixe de elétrons está ao longo da direção no plano de [011]. (c, d) Padrões RHEED de filme Fe1-xAlx crescidos nele, respectivamente. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
A dependência angular da magnetização remanente e ressonância ferromagnética (FMR) e a dependência da anisotropia magnetocristalina no conteúdo de Al. (A) 0 ° é o ponto de partida ao longo da direção do MgO [010] nas curvas de ângulo remanentes medidas mostrando o segundo Mr mínimo que indica a direção de magnetização dura correspondente ao Fe1 − xAlx [011], e Mr atinge seu valor máximo em 45o correspondendo à direção de fácil magnetização ao longo do Fe1 − xAlx [010]. A linha tracejada é um guia para identificar o primeiro e o segundo loops mínimos de histerese magnética Mr. (B) ao longo dos eixos de magnetização fácil e difícil do Fe1-xAlx, mostrando a dependência da concentração de Al. O campo de saturação ao longo da direção de magnetização fácil marcada com 45o permanece constante e a direção de magnetização dura marcada com 0o diminui conforme as concentrações de Al aumentam, indicando que a anisotropia magnetocristalina de Fe1 − xAlx se torna mais fraca com o aumento do conteúdo de Al. (C) Espectro de absorção de FMR derivado para Fe3Al de 0o (correspondendo à direção do MgO [010]) a 180o em uma frequência de micro-ondas de 9,4 GHz. (D) Série de campos ressonantes ajustados pelos dados experimentais para a extração de H2∥ e H4∥. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
Caracterização da magnetização básica
Para explicar as direções de magnetização fáceis e difíceis dos filmes de ferro-alumínio, Wei et al. curvas de ângulo remanescente medidas usando um magnetômetro de amostra vibratória (VSM). Como a concentração de alumínio variou de zero a 25%, a magnetização de saturação da amostra mudou. Enquanto isso, na direção da magnetização dura, conforme o campo de saturação diminuiu com o aumento da concentração de alumínio, a anisotropia magnetocristalina tornou-se mais fraca. Para determinar o valor da anisotropia magnética do material, a equipe usou medições de ressonância ferromagnética dependente de ângulo. A equipe então mediu o torque de amortecimento, conhecido como amortecimento de Gilbert na configuração, onde sua direção é dada pelo produto vetorial da magnetização e sua derivada no tempo. Por exemplo, o parâmetro de amortecimento de Gilbert resultante (α) para Fe 75 Al 25 filmes foi comparável aos valores descritos em estudos anteriores.
Determinação do amortecimento de Gilbert. (A) A frequência de ressonância muda mais alto à medida que o campo externo aumenta, e a dependência da largura da freqüência com a freqüência foi obtida por varreduras de freqüência para os filmes Fe75Al25. (B e C) Dependência da largura da frequência correspondente da frequência para os filmes Fe75Al25 e Fe81Al19. Os valores dos parâmetros de amortecimento de Gilbert foram ajustados por uma equação derivada no estudo e foram α =1,5 × 10−3 e α =2,3 × 10−3, respectivamente. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
Desta maneira, Yangping Wei e colegas observaram amortecimento magnético ultrabaixo de 1,5 x 10 -3 em ferromagnetos cristalinos FeAl tradicionais a uma concentração de alumínio de 25%. O trabalho oferece uma nova oportunidade para selecionar materiais de baixo custo não limitados a elementos metálicos de transição 3-D para aplicações spintrônicas e spin-orbitrônicas. A equipe obteve esses novos resultados com base no princípio da densidade mínima de estados proposto anteriormente. Os resultados também verificaram que o amortecimento magnético é proporcional à densidade dos estados no nível de Fermi na mesma liga. O trabalho possibilita uma nova abordagem para filtrar materiais para aplicações spintrônicas e spin-orbitrônicas e expandir o método para uma gama mais ampla de materiais de baixo amortecimento.
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