В связи с тенденцией к миниатюризацией магнитных устройств необходимо уметь исследовать свойства магнитных структур с высоким большим пространственным разрешением и, в частности, уметь исследовать свойства ультратонких пленок. Недавно немецкие исследователи впервые смогли определить кривую дисперсии для спиновых волн в пленке кобальта нанометровой толщины вплоть до границы зоны Бриллюэна.

Рис.1. Спектры потерь энергии спин-поляризованных электронов для двух противоположных направлений спина. На вставке показана геометрия эксперимента.

Спиновые волны - это элементарные возбуждения в магнитоупорядоченной среде; квант спиновых волн называется магноном (чуть подробнее о спиновых волнах см. в этой новости ) . В объемных материалах закон дисперсии спиновых волн можно исследовать с помощью неупругого рассеяния нейтронов (та же ситуация имеет место для фононов ). Однако статические и динамические свойства ультратонких магнитных пленок во многих случаях существенно отличаются от свойств объемных материалов, а из-за слабости взаимодействия нейтронов со спиновыми волнами нет возможности использовать рассеяние нейтронов для изучения спиновых волн в тонких пленках и на поверхности материалов. Конечно, использование нейтронов - не единственная возможность; для исследования длинноволновых спиновых волн в ультратонких пленках успешно применяются оптические и другие методы, однако до последнего времени не существовало экспериментальной методики, позволявшей изучать спиновые волны с большими волновыми векторами в таких структурах. И вот недавно ученые из института физики микроструктур в Галле и исследовательского центра в Юлихе использовали спектроскопию потерь энергии электронов для исследования спиновых волн с большими волновыми векторами в пленке кобальта нанометровой толщины [1].

Спектроскопия потерь энергии электронов - исследование неупругого рассеяния электронов - широко используется для исследования различных электронных возбуждений в твердом теле; при небольших энергиях электронов, когда дебройлевская длина волны электрона порядка десятка ангстрем, спектроскопия потерь энергии наиболее чувствительна к свойствам поверхности твердого тела. В таких условиях использование спектроскопии энергетических потерь спин-поляризованных электронов (когда контролируется не только энергия, но и спиновые состояния рассеянных электронов) позволяет исследовать магнитные свойства приповерхностных слоев вещества и тонких пленок. Высокая чувствительность экспериментальной установки позволила немецким ученым впервые исследовать закон дисперсии спиновых волн в ультратонкой пленке с помощью этого метода.

Пленка кобальта толщиной 8 моноатомных слоев была нанесена на подложку Cu (001) с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии; затем пленка была намагничена вдоль оси [110] (рис.1). Поток спин- поляризованных электронов генерировался при освещении катода из GaAs циркулярно-поляризованным светом, потом происходила монохроматизация пучка и поток электронов с энергией менее 10 эВ в определенном спиновом состоянии падал на поверхность кристалла (с нанесенной на нее ультратонкой пленкой). Исследователи регистрировали энергетический спектр отраженных электронов (энергетическое разрешение составляло 40 мэВ) при различных ориентациях спина падающих электронов. При рождении магнона энергия электрона изменяется, и помимо основного пика в спектре появляется дополнительный пик, связанный с неупруго рассеявшимися электронами (рис.1). Поскольку при возбуждении магнона должна изменяться намагниченность образца, интенсивность сигнала зависит от взаимной ориентации спина падающих электронов и магнитного момента пленки, что и можно наблюдать на рисунке.

Рис.2. Экспериментально полученные кривые дисперсии спиновых волн (заполненные квадраты и кружки) и результаты расчета (тонкие линии).

Меняя угол падения пучка электронов на пленку, исследователи изменяли передаваемый магнону (за счет изменения компоненты импульса электрона в плоскости пленки) импульс и, регистрируя положение пика в спектре потерь энергии, могли, таким образом, прописывать зависимость энергии магнона от волнового вектора (т.е. определять закон дисперсии спиновых волн) вплоть до границы зоны Бриллюэна (рис.2).

Исследование спиновых волн с большими волновыми векторами позволяет получать информацию о таких параметрах материала, как константа обменного взаимодействия, и дает возможность проверять напрямую сравнивать результаты теоретических расчетов динамических свойств ультратонких магнитных пленок с экспериментом. Так что спектроскопия энергетических потерь спин-поляризованных электронов может стать незаменимым методом изучения свойств низкоразмерных магнитных структур.

1. R.Vollmer, M.Etzkorn, P.S.Anil Kumar et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 147201 (2003).

Е.Онищенко