El sesgo de intercambio o anisotropía de intercambio ocurre en bicapas (o multicapas) de materiales magnéticos donde el comportamiento de magnetización dura de una película delgada antiferromagnética provoca un cambio en la curva de magnetización suave de una película ferromagnética . El fenómeno de polarización de intercambio es de tremenda utilidad en la grabación magnética, donde se utiliza para fijar el estado de los cabezales de lectura de las unidades de disco duro exactamente en su punto de máxima sensibilidad; de ahí el término "sesgo".
Ciencia fundamental
La física esencial que subyace al fenómeno es la interacción de intercambio entre el antiferromagnet y el ferromagnet en su interfaz. Dado que los antiferromagnetos tienen una magnetización neta pequeña o nula, su orientación de espín solo está débilmente influenciada por un campo magnético aplicado externamente. Una película ferromagnética suave que está fuertemente acoplada por intercambio al antiferromagnet tendrá sus espines interfaciales fijados. La inversión del momento del ferromagnet tendrá un costo energético adicional correspondiente a la energía necesaria para crear una pared de dominio Néel dentro de la película antiferromagnética. El término de energía agregada implica un cambio en el campo de conmutación del ferromagnético. Por lo tanto, la curva de magnetización de una película ferromagnética con intercambio polarizado se parece a la del ferromagnético normal, excepto que se aleja del eje H = 0 en una cantidad H b .
En la mayoría de las bicapas ferromagnet / antiferromagnet bien estudiadas, la temperatura de Curie del ferromagnet es mayor que la temperatura Néel T N del antiferromagnet. Esta desigualdad significa que la dirección de la polarización de intercambio se puede establecer enfriando a través de T N en presencia de un campo magnético aplicado. El momento del ferromagnet magnéticamente ordenado aplicará un campo efectivo al antiferromagnet según lo ordene, rompiendo la simetría e influyendo en la formación de dominios.
El efecto de polarización de intercambio se atribuye a una anisotropía unidireccional ferromagnética formada en la interfaz entre diferentes fases magnéticas. Generalmente, el proceso de enfriamiento de campo desde una temperatura más alta se utiliza para obtener anisotropía unidireccional ferromagnética en diferentes sistemas de polarización de intercambio. En 2011, se realizó un gran sesgo de intercambio después del enfriamiento de campo cero desde un estado no magnetizado, que se atribuyó a la interfaz recién formada entre diferentes fases magnéticas durante el proceso de magnetización inicial.
La anisotropía de intercambio ha sido poco conocida durante mucho tiempo debido a la dificultad de estudiar la dinámica de las paredes de los dominios en películas antiferromagnéticas delgadas. Un enfoque ingenuo del problema sugeriría la siguiente expresión para energía por unidad de área:
donde n es el número de interacciones de espines interfaciales por unidad de área, J ex es la constante de intercambio en la interfaz, S se refiere al vector de espín, M se refiere a la magnetización, t se refiere al espesor de la película y H es el campo externo. El subíndice F describe las propiedades del ferromagnet y AF al antiferromagnet. La expresión omite la anisotropía magnetocristalina , que no se ve afectada por la presencia del antiferromagnet. En el campo de conmutación del ferromagnet, la energía de fijación representada por el primer término y el acoplamiento dipolo de Zeeman representado por el segundo término se equilibrarán exactamente. Luego, la ecuación predice que el desplazamiento del sesgo de intercambio H b estará dado por la expresión
Muchos hallazgos experimentales con respecto al sesgo de intercambio contradicen este modelo simple. Por ejemplo, la magnitud de los valores de H b medidos es típicamente 100 veces menor que la predicha por la ecuación para valores razonables de los parámetros. La cantidad de cambio de histéresis H b no se correlaciona con la densidad n de espines no compensados en el plano del antiferromagnet que aparece en la interfaz. Además, el efecto de sesgo de intercambio tiende a ser menor en las bicapas epitaxiales que en las policristalinas, lo que sugiere un papel importante para los defectos. En los últimos años, se ha avanzado en la comprensión fundamental a través de experimentos de dicroísmo lineal magnético específico de elementos basados en radiación de sincrotrón que pueden obtener imágenes de dominios antiferromagnéticos y mediciones de susceptibilidad magnética dependientes de la frecuencia que pueden sondear la dinámica. Los experimentos con los sistemas modelo Fe / FeF 2 y Fe / MnF 2 han sido particularmente fructíferos.
Impacto tecnológico
El sesgo de intercambio se utilizó inicialmente para estabilizar la magnetización de capas ferromagnéticas blandas en cabezales de lectura basada en el efecto de magnetorresistencia anisotrópica (AMR). Sin la estabilización, el estado del dominio magnético de la cabeza podría ser impredecible, dando lugar a problemas de fiabilidad. Actualmente, la polarización de intercambio se usa para fijar la capa de referencia más dura en los cabezales de lectura de la válvula de giro y los circuitos de memoria MRAM que utilizan la magnetorresistencia gigante o el efecto de túnel magnético . De manera similar, los medios de disco más avanzados están acoplados antiferromagnéticamente, haciendo uso del intercambio interfacial para aumentar de manera efectiva la estabilidad de pequeñas partículas magnéticas cuyo comportamiento sería superparamagnético de otra manera .
Las propiedades deseables para un material de polarización de intercambio incluyen una alta temperatura de Néel , una gran anisotropía magnetocristalina y una buena compatibilidad química y estructural con NiFe y Co, las películas ferromagnéticas más importantes. Los materiales de polarización de intercambio más importantes desde el punto de vista tecnológico han sido los óxidos antiferromagnéticos de estructura de sal de roca como NiO, CoO y sus aleaciones y los intermetálicos de estructura de sal de roca como FeMn, NiMn, IrMn y sus aleaciones.
Historia
La anisotropía de intercambio fue descubierta por Meiklejohn y Bean de General Electric en 1956. El primer dispositivo comercial que empleó el sesgo de intercambio fue el cabezal de grabación de la unidad de disco de magnetorresistencia anisotrópica (AMR) de IBM , que se basó en un diseño de Hunt en la década de 1970, pero que no funcionó. t desplazar completamente la cabeza de lectura inductiva hasta principios de la década de 1990. A mediados de la década de 1990, el cabezal de la válvula de giro que usaba una capa de polarización de intercambio estaba en camino de desplazar el cabezal AMR.
Referencias
- Meiklejohn, WH; Bean, CP (3 de febrero de 1957). "Nueva anisotropía magnética". Revisión física . 105 (3): 904–913. Código Bibliográfico : 1957PhRv..105..904M . doi : 10.1103 / PhysRev.105.904 .
- S. Chikazumi y SH Charap, Física del magnetismo, ASIN B0007DODNA.
- Nogués, J .; Ivan K. Schuller (15 de febrero de 1999). "Sesgo cambiario". Revista de magnetismo y materiales magnéticos . 192 (2): 203–232. Código bibliográfico : 1999JMMM..192..203N . doi : 10.1016 / S0304-8853 (98) 00266-2 .
- AE Berkowitz y K. Takano, "Anisotropía de intercambio: una revisión", J. Magn. Magn. Matls. 200 , 552 (1999).
- John C. Mallinson, Cabezas de válvulas giratorias y magnetorresistivas: fundamentos y aplicaciones,ISBN 0-12-466627-2 .
- Kiwi, Miguel (septiembre de 2001). "Teoría del sesgo de cambio". Revista de magnetismo y materiales magnéticos . 234 (3): 584–595. Código Bibliográfico : 2001JMMM..234..584K . doi : 10.1016 / S0304-8853 (01) 00421-8 . hdl : 10533/172470 .
- Ivan K. Schuller y G. Guntherodt, "The Exchange Bias Manifesto", 2002.
- Jung-Il Hong , Titus Leo , David J. Smith y Ami E. Berkowitz , "Mejora del sesgo de intercambio con antiferromagnetos diluidos", Phys. Rev. Lett. 96 , 117204 (2006).
- Baomin Wang , Yong Liu , Peng Ren , Bin Xia , Kaibin Ruan , Jiabao Yi , Jun Ding , Xiaoguang Li y Lan Wang , "Gran sesgo de intercambio después del enfriamiento de campo cero de un estado no magnetizado", Phys. Rev. Lett. 106 , 077203 (2011).