Varios electrones representativos calculados DOS de Fe1 − xAlx (x =0, 19, 25, y 50). Se utilizan ocho celdas unitarias bcc con 16 átomos de Fe para construir una supercélula para cálculos de DOS de Fe puro y para Fe1 − xAlx con diferentes concentraciones x donde el Fe en varios sitios se reemplaza por Al. Las energías se dan en relación con la energía de Fermi, Ef =5,87 eV, para comparacion, y los valores numéricos insertados son los del DOS en la energía de Fermi para FeAl con varias composiciones etiquetadas. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
La amortiguación ultrabaja es de importancia clave para aplicaciones espintrónicas y espín-orbitrónicas en una variedad de materiales magnéticos. Sin embargo, el número de materiales que son adecuados para aplicaciones espintrónicas y espín-orbitrónicas basadas en cargas es limitado debido a la dispersión de electrones magnones. Para calcular cuantitativamente la amortiguación ferromagnética metálica de transición, Los investigadores han propuesto enfoques teóricos que incluyen el modelo de superficie de Fermi respiratoria (para describir la dinámica de magnetización disipativa), modelo de correlación de par generalizado, teoría de la dispersión, y el modelo de amortiguación de respuesta lineal. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Yangping Wei y un equipo de científicos científicos, magnetismo y materiales magnéticos, y la ingeniería química en China y Singapur detallaron experimentalmente un parámetro de amortiguación cercano a 1,5 x 10 -3 para tradicional, Ferromagnetos blandos de aluminuro de hierro fundamental (FeAl). Los resultados fueron comparables a los de los ferroimanes metálicos de transición 3-D basados en el principio de densidad de electrones mínima de estados.
Amortiguación magnética ultrabaja
La amortiguación magnética ultrabaja puede permitir satisfacer los requisitos de energía y velocidad de los dispositivos para aplicaciones espintrónicas y espín-orbitrónicas. Lata de amortiguación ultrabaja, sin embargo, contradicen los requisitos de corriente de carga para la mayoría de las aplicaciones, ya que tales corrientes de carga pueden causar una alta amortiguación debido a la dispersión de electrones magnones. Los materiales de itrio-hierro-granate (YIG) son aislantes ferromagnéticos con baja amortiguación y son buenos candidatos para lograr propiedades de bajo consumo energético y alta velocidad, adecuado para dispositivos espintrónicos. En comparación con los ferroimanes de metales de transición 3-D, esfuerzos de investigación sobre la amortiguación magnética de tradicionales, ferroimanes blandos de aluminuro de hierro fundamental (FeAl), que poseen excelentes propiedades mecánicas y funcionales a bajo costo, siguen siendo raros. La amortiguación magnética comparativamente baja lograda para un sistema metálico FeAl puede convertirlo en un material prometedor para aplicaciones espintrónicas y espín-orbitrónicas. En este trabajo, Wei y col. examinó la estructura electrónica de Fe 1 − x Alabama X utilizando cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) realizados con el paquete de simulación Vienna Ab initio (VASP) y la aproximación de gradiente generalizada (GGA). El equipo también cultivó una película de aleación de Fe-Al monocristalino de alta calidad con un grosor de 20 nm y una capa de aluminio de recubrimiento de 3 nm de grosor sobre óxido de magnesio (MgO), utilizando epitaxia de haz molecular (MBE) y estudió el efecto compositivo de la amortiguación en las aleaciones. Luego, el equipo utilizó métodos de difracción de electrones de alta energía de reflexión in situ (RHEED) y difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD) para demostrar la textura de dominio único de las películas de FeAl. Usando barridos de frecuencia con varias mediciones de resonancia ferromagnética de campo magnético mixto (FMR), Wei y col. encontraron efectos de amortiguación magnética bajos.
Difractometría de rayos X de alta resolución y reflectometría de películas de aleación Fe1 − xAlx sobre MgO. (A) Barridos longitudinales HRXRD ω-2Θ de las películas de aleación Fe1 − xAlx con diversas concentraciones de Al cultivadas en el sustrato de MgO (100). El pico marcado con un asterisco es el reflejo del sustrato de Al2O3 para cargar muestras durante la prueba. Los ligeros cambios en el ángulo de difracción de las muestras explican la distorsión de la red, y los cambios de celosía se indican mediante la comparación con la línea discontinua roja. Para Fe3Al, un nuevo pico de difracción obvio (200) aparece a 30,7o. a.u., unidades arbitrarias. (B) Exploraciones azimutales HRXRD Ф de los planos Fe3Al {202} y MgO {202}. Para la exploración de Fe3Al / MgO, se observan cuatro reflexiones a intervalos de 45o, indicando una simetría cuádruple en el plano y un crecimiento epitaxial de rotación relativa de 45o de las películas de Fe3Al sobre el sustrato de MgO. (C) Escaneos de reflectometría de rayos X de alta resolución de las películas de Fe3Al / MgO donde un ajuste correspondiente (marrón) da un espesor de 20 nm para Fe3Al y una rugosidad de 0.7 y 0.4 nm para MgO y Fe3Al, respectivamente. Recuadro:La curva de oscilación HRXRD del pico de Fe3Al (202) proporciona un ancho completo a la mitad del máximo de 0,49 °. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
Cálculos de la teoría funcional de la densidad y caracterización de estructuras cristalinas
Durante el estudio, Wei y col. usó ocho celdas unitarias cúbicas (bcc) centradas en el cuerpo con 16 átomos de hierro para construir una supercélula para calcular la densidad de estados de hierro puro (DOS). El Fe 1 − x Alabama X contenía diferentes concentraciones de x, donde el hierro en varios sitios fue reemplazado por átomos de aluminio. El equipo obtuvo varios DOS representativos para la aleación FeAl y encontró que exhibían un mínimo en el nivel de Fermi a concentraciones de aluminio del 25%. Luego, el equipo estableció la presión de la cámara de la epitaxia de haz molecular de diseño personalizado para el crecimiento de la muestra a una tasa favorable para fabricar alta calidad, Fe monocristalino 1 − x Alabama X películas de aleación en condiciones de no equilibrio. Los patrones RHEED (difracción de electrones de alta energía de reflexión) mostraron el logro de una relación pura de orientación única. El equipo evaluó la dependencia de la estructura cristalina fina del Fe 1 − x Alabama X películas sobre la concentración de aluminio utilizando HRXRD (difracción de rayos X de alta resolución). A medida que aumentaba la concentración de aluminio, notaron la formación de una solución sólida de aluminio en hierro. Luego, el equipo evaluó el grosor y la rugosidad de las películas mediante un escaneo de reflectometría de rayos X.
Patrones RHEED de (a) (100) -orientado MgO, el haz de electrones está a lo largo de la dirección en el plano de [010] y (b) (100) -orientado MgO, el haz de electrones está a lo largo de la dirección en el plano de [011]. (C, d) Patrones RHEED de la película Fe1-xAlx cultivada sobre ella, respectivamente. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
La dependencia angular de la magnetización remanente y la resonancia ferromagnética (FMR) y la dependencia de la anisotropía magnetocristalina del contenido de Al. (A) 0 ° es el punto de inicio a lo largo de la dirección MgO [010] en las curvas remanentes del ángulo medido que muestran el segundo Mr mínimo que indica la dirección de magnetización fuerte correspondiente a Fe1 − xAlx [011], y Mr alcanza su valor máximo a 45o correspondiente a la dirección de magnetización fácil a lo largo de Fe1 − xAlx [010]. La línea punteada es una guía para identificar el primer y segundo bucles de histéresis magnética mínima de Mr. (B) a lo largo de los ejes de magnetización fácil y dura del Fe1 − xAlx que muestran la dependencia de la concentración de Al. El campo de saturación a lo largo de la dirección de magnetización fácil etiquetada con 45o permanece constante y la dirección de magnetización dura etiquetada con 0o disminuye a medida que aumentan las concentraciones de Al. lo que indica que la anisotropía magnetocristalina de Fe1 − xAlx se debilita con el aumento del contenido de Al. (C) Espectros de absorción derivados de FMR para Fe3Al de 0o (correspondiente a la dirección MgO [010]) a 180o a una frecuencia de microondas de 9,4 GHz. (D) Serie de campos resonantes ajustados por los datos experimentales para la extracción de H2∥ y H4∥. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
Caracterización de la magnetización básica
Para explicar las direcciones de magnetización fáciles y duras de las películas de hierro y aluminio, Wei y col. curvas de ángulo remanente medidas utilizando un magnetómetro de muestra vibrante (VSM). Como la concentración de aluminio varió de cero a 25%, la magnetización de saturación de la muestra cambió. Mientras tanto, en la dirección de magnetización dura, a medida que el campo de saturación disminuyó al aumentar la concentración de aluminio, la anisotropía magnetocristalina se debilitó. Para determinar el valor de la anisotropía magnética del material, el equipo utilizó mediciones de resonancia ferromagnética dependientes del ángulo. Luego, el equipo midió el par de amortiguación, conocido como amortiguación de Gilbert en la configuración, donde su dirección viene dada por el producto vectorial de la magnetización y su derivada en el tiempo. Por ejemplo, el parámetro de amortiguamiento de Gilbert resultante (α) para Fe 75 Alabama 25 películas fue comparable a los valores descritos en estudios anteriores.
Determinación del amortiguamiento de Gilbert. (A) La frecuencia de resonancia aumenta a medida que aumenta el campo externo, y la dependencia del ancho de frecuencia de la frecuencia se obtuvo mediante barridos de frecuencia para las películas Fe75Al25. (B y C) Dependencia del ancho de frecuencia correspondiente de la frecuencia para las películas Fe75Al25 y Fe81Al19. Los valores de los parámetros de amortiguación de Gilbert se ajustaron mediante una ecuación derivada del estudio y fueron α =1,5 × 10−3 y α =2,3 × 10−3, respectivamente. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc5053
De este modo, Yangping Wei y sus colegas observaron una amortiguación magnética ultrabaja de 1,5 x 10 -3 en ferroimanes cristalinos tradicionales de FeAl a una concentración de aluminio del 25%. El trabajo ofrece una nueva oportunidad para seleccionar materiales de bajo costo que no se limitan a elementos metálicos de transición 3-D para aplicaciones espintrónicas y espín-orbitrónicas. El equipo obtuvo estos novedosos resultados sobre la base del principio de densidad mínima de estados propuesto anteriormente. Los resultados verificaron además que la amortiguación magnética sea proporcional a la densidad de estados en el nivel de Fermi en la misma aleación. El trabajo permite un nuevo enfoque de los materiales de cribado para aplicaciones espintrónicas y espín-orbitrónicas y amplía el método a una gama más amplia de materiales de baja amortiguación.
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