Plusieurs DOS électroniques représentatives calculées de Fe1−xAlx (x =0, 19, 25, et 50). Huit cellules unitaires bcc avec 16 atomes de Fe sont utilisées pour construire une supercellule pour les calculs Fe DOS purs et pour Fe1−xAlx avec différentes concentrations x où Fe sur divers sites est remplacé par Al. Les énergies sont données par rapport à l'énergie de Fermi, Ef =5,87 eV, en comparaison, et les valeurs numériques en encart sont celles du DOS à l'énergie de Fermi pour FeAl avec diverses compositions marquées. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc5053
L'amortissement ultra-faible est d'une importance capitale pour les applications de spintronique et de spin-orbitronique dans une gamme de matériaux magnétiques. Cependant, le nombre de matériaux adaptés aux applications de spintronique et de spin-orbitronique basées sur la charge est limité en raison de la diffusion des électrons magnon. Pour calculer quantitativement l'amortissement ferromagnétique métallique de transition, des chercheurs ont proposé des approches théoriques dont le modèle de surface respiratoire de Fermi (pour décrire la dynamique de l'aimantation dissipative), modèle de corrélation de couple généralisé, théorie de la diffusion, et le modèle d'amortissement à réponse linéaire. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Yangping Wei et une équipe de scientifiques en sciences, magnétisme et matériaux magnétiques, et le génie chimique en Chine et à Singapour ont détaillé expérimentalement un paramètre d'amortissement approchant 1,5 x 10 -3 pour le traditionnel, ferroaimants mous fondamentaux en aluminure de fer (FeAl). Les résultats étaient comparables à ceux des ferroaimants métalliques de transition 3-D basés sur le principe de la densité électronique minimale d'états.
Amortissement magnétique ultra-faible
L'amortissement magnétique ultra-faible peut permettre de répondre aux besoins en énergie et en vitesse des dispositifs pour les applications spintronique et spin-orbitronique. Amortissement ultra-faible peut, cependant, contredisent les exigences de courant de charge pour la plupart des applications, car de tels courants de charge peuvent provoquer un amortissement élevé en raison de la diffusion des électrons magnon. Les matériaux Yttrium-fer-grenat (YIG) sont des isolants ferromagnétiques à faible amortissement et sont de bons candidats pour obtenir des propriétés de faible consommation d'énergie et de vitesse élevée, adapté aux dispositifs spintroniques. Par rapport aux ferroaimants à métaux de transition 3D, efforts de recherche sur l'amortissement magnétique des ferroaimants doux fondamentaux en aluminure de fer (FeAl), qui possèdent d'excellentes propriétés mécaniques et fonctionnelles à faible coût, restent rares. L'amortissement magnétique relativement faible obtenu pour un système métallique FeAl peut en faire un matériau prometteur pour les applications spintronique et spin-orbitronique. Dans ce travail, Wei et al. a examiné la structure électronique de Fe
Diffractométrie et réflectométrie des rayons X à haute résolution de films d'alliages Fe1−xAlx sur MgO. (A) Analyses longitudinales HRXRD ω-2Θ des films d'alliage Fe1-xAlx avec diverses concentrations d'Al cultivées sur le substrat MgO (100). Le pic marqué d'un astérisque est le reflet du substrat Al2O3 pour le chargement des échantillons pendant les tests. Les légères variations de l'angle de diffraction des échantillons expliquent la distorsion du réseau, et les changements de réseau sont indiqués par la comparaison avec la ligne pointillée rouge. Pour Fe3Al, un nouveau pic de diffraction évident (200) apparaît à 30,7o. a.u., unités arbitraires. (B) Scans azimutaux HRXRD Ф des plans Fe3Al{202} et MgO{202}. Pour le balayage Fe3Al/MgO, quatre réflexions à intervalles de 45o sont observées, indiquant une symétrie quadruple dans le plan et une croissance épitaxiale de rotation relative de 45o des films de Fe3Al sur le substrat de MgO. (C) Scans de réflectométrie aux rayons X haute résolution des films Fe3Al /MgO où un ajustement correspondant (marron) donne une épaisseur de 20 nm pour Fe3Al et une rugosité de 0,7 et 0,4 nm pour MgO et Fe3Al, respectivement. En médaillon :la courbe oscillante HRXRD du pic Fe3Al (202) donne une pleine largeur à mi-hauteur de 0,49°. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Calculs de théorie fonctionnelle de la densité et caractérisation de structures cristallines
Au cours de l'étude, Wei et al. a utilisé huit cellules unitaires cubiques centrées sur le corps (bcc) avec 16 atomes de fer pour construire une supercellule afin de calculer la densité d'états de fer pur (DOS). Le Fe
motifs RHEED de MgO orienté (a) (100), le faisceau d'électrons est le long de la direction dans le plan de [010] et (b) (100) orienté MgO, le faisceau d'électrons est le long de la direction dans le plan de [011]. (c, d) motifs RHEED du film Fe1-xAlx cultivé dessus, respectivement. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc5053
La dépendance angulaire de l'aimantation rémanente et de la résonance ferromagnétique (FMR) et la dépendance de l'anisotropie magnétocristalline sur la teneur en Al. (A) 0° est le point de départ le long de la direction MgO[010] dans les courbes angulaires rémanentes mesurées montrant le deuxième minimum Mr qui indique la direction de magnétisation dure correspondant à Fe1−xAlx [011], et Mr atteint sa valeur maximale à 45o correspondant à la direction d'aimantation facile le long de Fe1−xAlx [010]. La ligne pointillée est un guide pour identifier les première et deuxième boucles d'hystérésis magnétique minimum Mr. (B) le long des axes de magnétisation facile et dur du Fe1−xAlx montrant la dépendance de la concentration en Al. Le champ de saturation le long de la direction d'aimantation facile marquée par 45o reste constant et la direction d'aimantation dure marquée par 0o diminue à mesure que les concentrations en Al augmentent, indiquant que l'anisotropie magnétocristalline de Fe1−xAlx s'affaiblit avec l'augmentation de la teneur en Al. (C) Spectres d'absorption FMR dérivés pour Fe3Al de 0o (correspondant à la direction MgO[010]) à 180o à une fréquence micro-ondes de 9,4 GHz. (D) Série de champs résonants ajustés par les données expérimentales pour l'extraction de H2∥ et H4∥. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Caractérisation de l'aimantation basique
Pour expliquer les directions de magnétisation faciles et dures des films fer-aluminium, Wei et al. courbes angle-reste mesurées à l'aide d'un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM). Comme la concentration d'aluminium variait de zéro à 25 %, la magnétisation de saturation de l'échantillon a changé. Pendant ce temps, dans le sens de l'aimantation dure, comme le champ de saturation diminue avec l'augmentation de la concentration en aluminium, l'anisotropie magnétocristalline s'affaiblit. Pour déterminer la valeur de l'anisotropie magnétique du matériau, l'équipe a utilisé des mesures de résonance ferromagnétique dépendantes de l'angle. L'équipe a ensuite mesuré le couple d'amortissement, connu sous le nom d'amortissement Gilbert dans la configuration, où sa direction était donnée par le produit vectoriel de l'aimantation et sa dérivée temporelle. Par exemple, le paramètre d'amortissement de Gilbert résultant (α) pour Fe
Détermination de l'amortissement de Gilbert. (A) La fréquence de résonance augmente à mesure que le champ externe augmente, et la dépendance de la largeur de fréquence de la fréquence a été obtenue par des balayages de fréquence pour les films Fe75Al25. (B et C) Dépendance de la largeur de fréquence correspondante de la fréquence pour les films Fe75Al25 et Fe81Al19. Les valeurs des paramètres d'amortissement de Gilbert ont été ajustées par une équation dérivée de l'étude et étaient α =1,5 × 10−3 et α =2,3 × 10−3, respectivement. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc5053
De cette façon, Yangping Wei et ses collègues ont observé un amortissement magnétique ultra-faible de 1,5 x 10 -3 dans des ferroaimants cristallins FeAl traditionnels à une concentration en aluminium de 25 %. Le travail offre une nouvelle opportunité de sélectionner des matériaux à faible coût non limités aux éléments métalliques de transition 3D pour les applications spintronique et spin-orbitronique. L'équipe a obtenu ces nouveaux résultats sur la base du principe de densité minimale d'états proposé précédemment. Les résultats ont en outre vérifié que l'amortissement magnétique était proportionnel à la densité d'états au niveau de Fermi dans le même alliage. Les travaux permettent une nouvelle approche pour le criblage de matériaux pour les applications spintroniques et spin-orbitroniques et étendent la méthode à une gamme plus large de matériaux à faible amortissement.
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