ФМР-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ГИРОТРОПНОГО ДВИЖЕНИЯ МАГНИТНЫХ ВИХРЕЙ В МАССИВАХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-02-00696.

АННОТАЦИЯ

В работе описана схема оригинального ФМР спектрометра на основе компланарного четвертьволнового короткозамкнутого микрополоскового резонатора, предназначенного для изучения гиротропного движения магнитных вихрей. На ФМР спектрометре проведены эксперименты по изучению гиротропных мод в массивах манитостатически взаимодействующих ферромагнитных частиц. Обнаружено наличие нескольких пиков на дифференциальных кривых поглощения на частоте 232 МГц.

Интерес к исследованию наноразмерных ферромагнитных частиц  (плёночных нанодисков, нанолиний и  нанотрубок) и их массивов обусловлен не только своеобразием свойств этих объектов, но и вполне реальными  перспективами в прикладном отношении: в устройствах спинтроники [1-4], в биомедицине (в частности, использование нанопятен в качестве магнитно управляемых «наноскальпелей»  для неинвазивной клеточной хирургии опухолей [5-11]).

Особенностью формирования равновесной (в отсутствии внешнего магнитного поля) магнитной структуры наночастиц  является тенденция вихреобразования, обусловленная специфической геометрией объектов. В случае плёночного нанодиска формируется, так называемый, «идеальнвй магнитный вихрь» представляющий собой структуру с циркулярной ориентацией намагниченности в плоскости пленки на периферии  и плавным выходом намагниченности из плоскости по мере приближения к центру магнетика с «ядром» в самом центре. Внешнее магнитное поле вызывает обратимые смещения ядра, так что  в целом магнитный вихрь может рассматриваться как объект с собственной резонансной частотой вращения [12-14].  У частицы иной формы (квадратной, треугольной)    формируется более сложная (квазивихревая) структура, однако и для квазивихрей  реакция на магнитное поле также обратима и может быть описана в терминах собственных частот. В упорядоченном массиве наночастиц происходит расщепление резонансной частоты гиротропного движения магнитных вихрей, связанное со снятием вырождения энергетических состояний для частиц с  различным сочетанием полярности ядра и хиральности вихря [15].

В подобной ситуации  именно ферромагнитный резонанс (ФМР), как экспериментальный метод (наряду с магнитно-силовой и лоренцевой электронной микроскопией  [16]),  потенциально наиболее информативен.

Известные стандартные установки ФМР позволяют проводить измерения в довольно широком диапазоне частот (от долей герца до 1500 ГГц). Однако их чувствительность и степень разрешения для отдельных участков этого диапазона различна. Наиболее проблемным является  интервал частот до 1 ГГц, а именно он, согласно теоретическим оценкам, наиболее интересен в экспериментах с наночастицами. В настоящей работе мы представляем специализированную экспериментальную установку ФМР, хорошо зарекомендовавшую себя в процессе изучения гиротропных мод в массивах манитостатически взаимодействующих ферромагнитных частиц - спектрометр ФМР на основе компланарного четвертьволнового короткозамкнутого микрополоскового резонатора.

Блок-схема ФМР-спектрометра на основе компланарного четвертьволнового короткозамкнутого микрополоскового резонатора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема ФМР спектрометра

В измерениях традиционно использовался метод синхронного детектирования сигнала на частоте модуляции (1 кГц). Модуляционное магнитное поле создавали катушками Гельмгольца 1, подключенными к генератору сигналов синусоидальной формы 2. При создании высокочастотного магнитного поля для образца использовался генератор высокой частоты 3. Сигнал с микрополоскового резонатора 4 после прохождения через детектор 5, представляющий собой двухполупериодный диодный мост, подавался на двухканальный предусилитель 6 и после усиления попадал на селективный усилитель 7, настроенный на частоту модуляции. Для компенсации паразитного сигнала, возникающего в результате изменения магнитной восприимчивости материала сердечника основного магнита 8, на второй канал предусилителя подавался сигнал с компенсационной катушки 9, находящийся внутри колец Гельмгольца. Амплитуда и частота основного магнитного поля задавались генератором сигналов специальной формы 10 и после прохождения через усилитель 11 подавались на электромагнит 8. Поле, создаваемое этим электромагнитом, регистрировалось миллитесламетром 12, работающим на основе датчика холла 13. Полезный сигнал с фазового детектора и миллитесламетра подавался на аналогово-цифровой преобразователь АЦП 14, после чего поступал в ПЭВМ 15.

Микрополосковый резонатор, схема которого представленна на рисунке 2, был выполнен на керамике титаната бария (BaTiO₃) диэлектрической проницаемости ε=100 c двухсторонней полировкой и металлизированным слоем Cr/Cu. Ширина центральной полосы а=4мм

Рисунок 2. Схема измерительного резонатора. (1)-СВЧ диод 2А201А; 2- керамический конденсатор (емкости подбирались экспериментально) 3- образец

Внешний вид готового резонатора показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Фотография резонатора

Детектор представлял собой диодный мост на диодах 2А201А. При данной конструкции резонатор является многомодовым. Первая мода резонатора, на которой изучался гиротропный режим движения магнитных вихрей в массивах, соответствовала частоте 232 МГц. АЧХ первой моды, полученной на векторном анализаторе цепей ZVK на частоте 232 МГц, показана на рисунке 4.

Рисунок 4. АЧХ резонатора для первой моды на частоте 232 МГц

Магниторезонансные свойства упорядоченного массива исследовались на данном ФМР-спектрометре методом узкополосного резонанса при частоте 232 МГц. Образец помещался в пучность магнитного поля резонатора (см. рис. 2). Амплитуда переменного магнитного поля, приложенного параллельно плоскости пленки, составляла ~ 1 Oe. Постоянное магнитное поле прикладывалось перпендикулярно плоскости волновода (основное поле). Сигнал с образца усиливался селективным усилителем на частоте модуляции и подавался на синхронный детектор. Величина основного поля варьировалась от 0 до 5 kОе. В результате были получены дифференциальные кривые поглощения образца, характерный вид которых показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Дифференциальные кривые поглощения, полученные на массиве пермаллоевых наноточек с квадратным упорядочением. Толщина наноточек 100 нм, диметр 3 мкм. В случае расстояния между краями дисков: (a) 2 мкм (б) 4 мкм (в) 5 мкм

Важно отметить, что за возникновение резонансного режима ответственны наноточки, у которых направление полярности противоположно основному полю, так как исключительно в этом случае на нашем образце резонансная частота составляет менее 300 МГц [14,17].

Наличие нескольких пиков на кривых поглощения свидетельствует о наличии наложенных друг на друга резонансных кривых с незначительно отличающимися частотами. Эти частоты соответствуют нескольким модам гиротропного движения взаимодействующих магнитных вихрей.  Существование этих мод объясняется наличием в пленке-массиве областей, содержащих в своем составе соседствующих пар наночастиц с различным сочетанием полярностей и хиральностей [18-20].

Таким образом, в настоящей работе предложена и апробирована схема эксперимента на основе оригинального резонатора, позволившего растянуть диапазон, соответствующий нескольким сотням мегагерц. Это способствовало обнаружению близко расположенных по частоте резонансных мод и детальному их исследованию в массивах наночастиц, с относительно слабо взаимодействующими магнитными подсистемами [20-24]. Полученные в эксперименте результаты согласуются с теоретическими оценками [20].

Список литературы:

1. Qu Yang, Yuxin Cheng, Yaojin Li, Ziyao Zhou,* Jinghua Liang, Xinger Zhao, Zhongqiang Hu, Renci Peng, Hongxin Yang, Ming Liu, Voltage Control of Skyrmion Bubbles for Topological Flexible Spintronic Devices, Adv. Electron. Mater. 2020, 2000246.
2. Rafael Morales, Amanda N. Flores, Nicolas Vargas, Jason Giuliani, Ivan K Schuller, Carlos Monton, Ultra-dense Arrays of Sub-100 nm Co/CoO Nanodisks for Spintronics Applications,  ACS Appl. Nano Mater., 16 Apr 2020.
3. P. S. Keatley, V. V. Kruglyak, P. Gangmei And R. J. Hicken, Ultrafast magnetization dynamics of spintronic nanostructures, Phil. Trans. R. Soc. A (2011) 369, 3115–3135
4. Wang Kang, Xing Chen, Daoqian Zhu, Sai Li, Yangqi Huang, Youguang Zhang, and Weisheng Zhao, Magnetic Skyrmions for Future Potential Memory and Logic Applications: Alternative Information Carriers, Design, Automation And Test in Europe (DATE 2018),  978-3-9819263-0-9/DATE18/c 2018 EDAA.
5. Vitol E. A., Novosad V., Rozhkova E. A. Microfabricated magnetic structures for future medicine: from sensors to cell actuators // Nanomedicine. 2012. V. 7, № 10. P. 1611-1624.
6. Rozhkova E. A., Novosad V., Kim D. H.  Ferromagnetic microdisks as carriers for biomedical applications // Journal of Applied Physics. – 2009. - Vol. 105. - P.  07B306
7. M. Goiriena-Goikoetxea, D. Munoz, I. Orue, M. L. Fernandez-Gubieda, J. Bokor, A. Muela, A. Garc!ıa-Arribas, Disk-shaped magnetic particles for cancer therapy, Appl. Phys. Rev. 7, 011306 (2020).
8. Zamay T.N., Zamay G.S., Belyanina I.V., Kolovskaya O.S., Grigorieva V.L., Veprintsev D.V., Glazyrin Y.E., Zamay A.S., Garanzha I.V., Zamay S.S., Denisenko V.V., Ivanchenko T.I., Shabanov A.V., Kim P.D., Prinz V.Y., Seleznev V.A., Sokolov A.E., Prokopenko V.S., Gargaun A., Berezovski M.V. et al., Noninvasive Microsurgery Using Aptamer-Functionalized Magnetic Microdisks For Tumor Cell Eradication, Nucleic Acid Therapeutics. 2017. Т. 27. № 2. С. 105-114.
9. Ким П.Д., Замай С.С., Замай Т.Н., Прокопенко В.С., Коловская О.С., Замай Г.С., Принц В.Я., Селезнев В.А., Комонов А.И., Спивак Е.А., Руденко Р.Ю., Дубынина А.В., Комаров А.В., Денисенко В.В., Комарова М.А., Соколов А.Э., Народов А.А., Живаев В.П., Замай А.С., Противоопухолевый эффект конъюгатов магнитных нанодисков с днк-аптамерами, Доклады Академии наук. 2016. Т. 466. № 5. С. 616.
10.  Замай С.С., Прокопенко В.С., Принц В.Я., Селезнев В.А., Замай Т.Н., Замай Г.С., Замай А.С., Ким П.Д. Нанодиски для разрушения опухолевых клеток, Патент на полезную модель RU 167739 U1, 10.01.2017. Заявка № 2015151687 от 02.12.2015
11.  П. Д. Ким, В. С. Прокопенко, В. А. Орлов, Р. Ю. Руденко, Т. В. Руденко, Б. В. Васильев, В. П. Живаев, Т. А. Ким, Магнитные cтруктуры пермаллоевых пленочных микропятен, Доклады Академии Наук, 2015, том 463, № 1, с. 28–31.
12. Орлов В.А., Ким П.Д., О Низкочастотных Колебаниях Точки Блоха В Нанодиске, Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Математика и физика. 2013. Т. 6. № 1. С. 86-96.  
13. B. Pigeau, G. de Loubens, O. Klein, A. Riegler, F. Lochner, G. Schmidt, L. W. Molenkamp,  V. S. Tiberkevich, A. N. Slavin, A frequency-controlled magnetic vortex memory, Applied Physics Letters 96, 132506 2010.
14. G. de Loubens, A. Riegler, B. Pigeau, F. Lochner, F. Boust, K. Y. Guslienko, H. Hurdequint, L. W. Molenkamp, G. Schmidt,  A. N. Slavin,  V. S. Tiberkevich,  N. Vukadinovic, O. Klein, Bistability of vortex core dynamics in a single perpendicularly magnetized nano-disk, Physical Review Letters 102 (2009) 177602.
15. П. Д. Ким, В. А. Орлов, Р. Ю. Руденко, В. С. Прокопенко, И. Н. Орлова, С. С. Замай, Коллективная динамика магнитных вихрей в массиве взаимодействующих наноточек, Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 8, с. 620 – 626
16. Прокопенко В.С., Ким П.Д., Орлов В.А., Васильев Б.В., Вовк Д.К., Зацепилин С.Е., Руденко Р.Ю., Лоренцева Микроскопия Пермаллоевых Пленочных Микропятен, Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Математика и физика. 2013. Т. 6. № 2. С. 262-269
17. В.А. Орлов,, Р. Ю. Руденко, А. В. Кобяков, А. В. Лукьяненко, П.Д. Ким, В. С. Прокопенко, И. Н. Орлова, О динамике намагниченности в двумерных массивах квадратных микроэлементов, ЖЭТФ, 2018, том 153, вып. 4, стр. 635–648.
18. A. D. Belanovsky, N. Locatelli, P. N. Skirdkov, F. Abreu Araujo, K. A. Zvezdin, J. Grollier, V. Cros, and A. K. Zvezdin, Numerical and analytical investigation of the synchronization of dipolarly coupled vortex spin-torque nano-oscillators, Appl. Phys. Lett. 103, 122405 (2013).
19. A. E. Ekomasov, S. V. Stepanov, K. A. Zvezdin, E. G. Ekomasov, Influence of Perpendicular Magnetic Field and Polarized Current on the Dynamics of Coupled Magnetic Vortices in a Thin Nanocolumnar Trilayer Conducting Structure, Physics of Metals and Metallography, 2017, Vol. 118, No. 4, pp. 328–333.
20. V A Orlov, G S Patrin, I N Orlova, Dynamics of magnetization in an array of three-layer nanodiscs, J. Phys.: Conf. Ser. 1389, 012005.
21. A. Yu. Galkin, B. A. Ivanov, C. E. Zaspel, Collective modes for an array of magnetic dots in the vortex state, Physical Review B 74, 144419 (2006)
22. Andreas Vogel, Andre Drews, Thomas Kamionka, Markus Bolte, Guido Meier, Influence of Dipolar Interaction on Vortex Dynamics in Arrays of Ferromagnetic Disks, PRL 105, 037201 (2010)
23. A. A. Awad, G. R. Aranda, D. Dieleman, K. Y. Guslienko, G. N. Kakazei, B. A. Ivanov, F. G. Aliev, Spin excitation frequencies in magnetostatically coupled arrays of vortex state circular Permalloy dots, Applied Physics Letters 97, 132501 (2010)
24. Hyunsung Jung, Ki-Suk Lee, Dae-Eun Jeong, Youn-Seok Choi, Young-Sang Yu, Dong-Soo Han, Andreas Vogel, Lars Bocklage, Guido Meier, Mi-Young Im, Peter Fischer, Sang-Koog Kim, Tunable negligible-loss energy transfer between dipolar-coupled magnetic disks by stimulated vortex gyration, Scientific Reports | 1 : 59 | DOI: 10.1038/srep00059.