Физики создали модель, описывающую сверхбыстрое переключение намагниченности наночастиц

Современные терагерцовые технологии и ультрабыстрая спинтроника предъявляют новые требования к описанию магнитной динамики. Когда переключение намагниченности наномагнитов происходит за пико- или субпикосекунды, привычные модели перестают работать. Они рассматривают намагниченность как безынерционный вектор, мгновенно реагирующий на внешнее поле. Однако в реальности, как пояснил младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спинтроники МФТИ Антон Титов, магнитный момент ведет себя скорее как тяжелый волчок: на основную прецессию накладывается дополнительное осциллирующее движение — нутация.

Три режима релаксации

Ученые из МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Тринити-колледжа Дублина разработали модель, описывающую инерционную динамику намагниченности под действием внешнего магнитного поля и тепловых флуктуаций. В качестве модельной системы был взят одноосный наномагнит с двумя устойчивыми состояниями намагниченности, разделенными энергетическим барьером. Внешнее поле делало эти состояния неравноценными, что моделировало реальные условия работы устройств.

Расчет спектра магнитной восприимчивости выявил три отчетливых релаксационных режима. Первый, медленный, связан с переориентацией намагниченности через потенциальный барьер — наномагнит переходит из одного состояния в другое под действием поля или тепловых флуктуаций. Второй, промежуточный, соответствует локальной релаксации внутри потенциальной ямы: намагниченность совершает прецессионно-нутационное движение, постепенно возвращаясь к равновесию. Третий, быстрый, режим обусловлен чисто инерционным эффектом нутации, который не наблюдается в безынерционных моделях.

Универсальный подход для будущей электроники

Предложенный метод позволяет рассчитывать восприимчивость ферромагнитных наночастиц в широком диапазоне частот — от низких до терагерцовых. Именно в терагерцовой области учет инерционности становится необходимым. «Разработанный нами теоретический подход является универсальным, — отметил Антон Титов. — Он объединяет в себе как предыдущие достижения, основанные на традиционном рассмотрении безынерционных магнитодинамических процессов, так и новые результаты, связанные с инерционностью намагниченности».

Это исследование помогает перейти от упрощенной картины наномагнита к реалистичной модели, которая одновременно учитывает тепловые флуктуации, влияние внешнего поля, преодоление энергетических барьеров и нутацию намагниченности. Такой комплексный подход открывает новые возможности для разработки устройств сверхбыстрой магнитной памяти, спинтроники и терагерцовой физики.