Туннелирование намагниченности и магнитные инстантоны в изинговских магнетиках

Переход к наноразмерным структурам в электронике сопровождается возрастанием роли квантовых проявлений их свойств. В частности, квантовые флуктуации намагниченности наноразмерных частиц кладут предел плотности бинарной записи информации на магнитожестких материалах.

Ограничивающим фактором является экспоненциально возрастающая с уменьшением объема ячейки памяти частота квантового туннелирования намагниченности из метастабильного состояния в основное и между энергетически эквивалентными состояниями. Поэтому в связи с появлением наноэлектронной технологии возрастает интерес к изучению макроскопических квантовых явлений в квазиклассических системах, содержащих от 104 до 107 элементарных магнитов вещества.

Макроскопическое квантовое туннелирование (МКТ) в магнитных веществах предсказывалось еще Бином в Ливингстоном в 1959 г. С начала 80-х годов МКТ изучалось теоретически и экспериментально в ряде работ по релаксации доменной структуры при сверхнизких температурах. В этих работах магнитное последействие связывалось с магнитным туннелированием малых участков доменных границ на магнитных неоднородностях.

Новый этап открыла впечатляющая работа сотрудников фирмы IBM, в которой было показано, что ансамбль искусственно изготовленных магнитных наночастиц может находиться в состоянии макроскопической квантовой когерентности и резонансно откликаться на внешнее магнитное поле, частота которого совпадает с частотой МКТ. Теория этого явления развивалась в ряде работ и наиболее интенсивно Е. М. Чудновским. Наряду с качественным согласием общих предположений теории имелись, однако, существенные количественные расхождения.

Расчет частоты туннелирования намагниченности в упомянутых работах проводился в основном в квазиклассическом приближении путем нахождения инстантонной траектории для классического лагранжиана магнитной частицы. Используемый при этом лагранжиан магнитной системы получен в пределе слабого кристаллического поля по сравнению с обменным взаимодействием.

Как правило, это справедливо для слабоанизотропных ионов, таких как Fe, Ni и др. Однако в целом ряде соединений , таких например как Со-содержащие, редкоземельные элементы и другие, кристаллическое поле конкурирует с обменным и превышает его. Это существенно влияет на структуру электронного спектра ионов и на динамику его спинов. В частности уравнение Ландау—Лифшица для компонент намагниченности перестает быть справедливым.

В совместных исследованиях НИИФП и ИОФРАН [20] была решена задача о туннелировании намагниченности в существенно анизотропных магнитных наночастицах, обладающих изинговскими свойствами. Рассматривалась система обменно взаимодействующих некрамерсовских ионов, основное состояние которой определяется двумя нижними энергетическими уровнями, образующими квазидублет с волновыми функциями, описывающими изинговские свойства иона.

Расчеты показали, что несмотря на отсутствие обычной траектории туннелирования намагниченности, связанной с пространственной ее переориентацией, для системы некрамерсовских ионов имеется инстантонное решение благодаря взаимодействию изинговской намагниченности с магнитными мультиполями, которые играют роль эффективных компонент спина в поперечном к изинговской оси направлении. При этом вероятность туннелирования сильно зависит от соотношения релятивистского и обменного взаимодействий.

Наибольшей величины эта вероятность достигает при уменьшении обменного взаимодействия до критической величины, соответствующей метамагнитному переходу в рассматриваемой изинговской системе спинов. При возрастании обмена вероятность туннелирования падает до нуля. Таким образом, можно управлять величиной МКТ намагниченности в сильноанизотропных ионах, технологически меняя величину магнитных взаимодействий между ионами в приготавливаемых наночастицах, например путем их легирования.

Проводимые исследования макроскопического туннелирования и квантовой когерентности намагниченности в наночастицах и нанослоях могут оказаться полезными не только при проектировании будущих сверхплотных устройств магнитной памяти, но и с точки зрения возможной реализации идеи квантового компьютера Фейнмана со сверхнизким энергетическим потреблением.

Так, при наноэлектронном размере элементарной магнитной ячейки обратимого компьютера с частотой туннелирования ~ 10⁶ Гц при добротности магнитной системы ΔН/Н= 10^-2 оценка мощности рассеяния дает р = 1 мВт и быстродействие Nf = 10²⁰ бит/с.