Горизонты научного поиска

Магнитные слоистые структуры:
неколлинеарные и некомпланарные

Эта научная история начиналась 35 лет назад. А еще раньше, в 1968 году в Лаборатории нейтронной физики были открыты ультрахолодные нейтроны (УХН). На УХН возлагались большие надежды, связанные с повышением точности измерения фундаментальной характеристики нейтрона - его электрического дипольного момента. Кстати сказать, они во многом оправдались. Но прежде надо было научиться поляризовать УХН. Их пропускали через тонкую ферромагнитную пленку, причем по-разному для нейтронов двух компонент поляризации пучка. Поляризоваться УХН не хотели, и причина была неизвестна. До той поры, пока за ее решение не взялся сотрудник ЛНФ В.К.Игнатович. В 1978 году Владимир Казимирович указал, что причиной неудач может быть непараллельность магнитного поля в ферромагнитной пленке к магнитному полю вне пленки. В результате происходило перемешивание компонент поляризации, и УХН оставались неполяризованными. Одновременно с решением этой задачи Владимир Казимирович, по-видимому один из первых, обратил внимание на существование магнитных неколлинеарных структур, в которых реализуются пространственные зависимости двух ортогональных компонент индукции магнитного поля и наблюдается более сложное поведение магнитного момента нейтрона.

Уже позже магнитные неколлинеарные структуры стали основой для разработки новых электронных элементов - устройств хранения, записи и считывания информации. Исследования таких структур, в частности Fe/Cr слоистых структур, в которых магнитная неколлинеарность приводила к эффекту гигантского магнитного сопротивления, были развернуты французской (Ханс и Валерия Лаутеры) и венгерской (Денеш Надь и Ласло Ботян) группами на спектрометре поляризованных нейтронов, расположенном на пучке №8 ИБР-2 в Дубне. В своей работе 1978 года Владимир Казимирович указал на существование процесса переворота спина нейтрона в магнитно-неколлинеарных структурах и предсказал новое явление образования из одного пучка нейтронов двух пространственно разделенных пучков. В случае преломленного пучка явление получило название двулучепреломления, а в случае отраженного - двулучеотражения. В 1996 году явление двулучеотражения наблюдалось группами Дж. П.Фэлчера (США) и Д.А.Корнеева (ЛНФ ОИЯИ), а явление двулучепреломления - группой Ю.В.Никитенко (ЛНФ ОИЯИ). Позже, в 2001 году по результатам исследований явлений двулучеотражения и двулучепреломления нейтронов С. В. Кожевниковым была защищена кандидатская диссертация.

В последнее десятилетие активно исследуются еще более сложные - так называемые некомпланарные магнитные структуры, в которых реализуются пространственные зависимости трех ортогональных компонент магнитного поля. Некомпланарность магнитной структуры ведет к новым физическим явлениям для электронов, что служит основой для принципиально нового развития наноэлектроники. В частности, были предсказаны и изучаются эффекты выпрямления тока в мезоскопических кольцах и ферромагнетиках с конусной магнитной спиралью, а также явление "топологического" эффекта Холла. Нейтронные исследования таких систем представляются важными в связи с тем, что особенности транспортных свойств ферромагнетиков для электронов связаны с взаимодействием магнитного момента электрона с обменным магнитным полем. Для нейтронов подобное магнитное взаимодействие (за исключением ядерного), является единственным, следовательно, особенности квантово-механического поведения частиц со спином 1/2 в некомпланарных магнитных полях должны проявляться ярче в более простом нейтронном эксперименте.

Первые исследования некомпланарных структур в виде двух магнитных зеркал, помещенных в перпендикулярно направленное к ним магнитное поле, были проведены нами совместно с группой под руководством А.А.Фраермана из Института физики микроструктур (Нижний Новгород, Россия). Было показано, что предсказанная лево-правая асимметрия прохождения нейтронов действительно существует. Одновременно данная система из двух зеркал демонстрирует в зависимости от длины волны нейтронов осцилляционную зависимость пропускания неполяризованных нейтронов и может быть использована в прецессионных или спин-эхо рефлектометрических инструментах, позволяющих исследовать атомную динамику поверхности или тонкого слоя. Разработка таких нейтронных спектрометров сейчас стоит на повестке дня.

Наконец, не менее актуальны также исследования динамических свойств некомпланарных систем. Динамической некомпланарной системой является, например, магнитная слоистая структура, помещенная в скрещенные статическое и осциллирующее магнитные поля. Детальное теоретическое исследование поведения нейтронов в таких системах было выполнено в работах В.К.Игнатовича, Ю.В.Никитенко и румынского физика Ф.Раду. Было показано, что нейтроны в таких исследованиях обеспечивают необходимую чувствительность. Возможности исследований еще больше возрастают при использовании резонатора нейтронной волны - метода, экспериментально развитого в ЛНФ Ю.В.Никитенко и В.Л.Аксеновым. Чувствительность измерений также возрастает при осуществлении нейтронного магнитного резонанса в магнитном слое. Первое наблюдение магнитного резонанса нейтронов в тонкой пленке из пермаллоя было выполнено интернациональной группой сотрудников из России (С.В.Кожевников, В.К.Игнатович и Ю.В.Никитенко), Румынии, Венгрии, Франции и Германии. Примечательно, что здесь также было зарегистрировано двулучеотражение в осциллирующем магнитном поле, вызванное уже другим явлением, а именно передачей кванта электромагнитного поля нейтрону.

Знаменательно, что фактически шестнадцатилетние исследования нашли отражение в цикле научных работ и патентов под названием "Преломление и отражение поляризованных нейтронов от неколлинеарных и некомпланарных магнитных систем". Этот цикл, выполненный коллективом авторов: В.Л.Аксенов, В.И.Боднарчук, В.К.Игнатович, С.В.Кожевников, Д.А.Корнеев, Ю.В.Никитенко, А.В.Петренко (ЛНФ ОИЯИ), Ф.Раду (Берлин, Германия) и А.А.Фраерман (ИФМ, Нижний Новгород), - удостоен второй премии ОИЯИ за 2012 год.

В настоящее время исследования сложных магнитных систем продолжаются. В частности, экспериментальные исследования направлены на наблюдение в них трехлучевого отражения нейтронов, определение динамических свойств магнитных слоев атомарной толщины, применение закономерностей прохождения нейтронов для определения свойств взаимодействующих на границе раздела и конкурирующих между собой явлений, например таких, как сверхпроводимость и ферромагнетизм. Но это уже будет другая история.

Юрий НИКИТЕНКО