铁磁_反铁磁双层膜中交换偏置

74物理学进展23卷312　平行界面的反铁磁畴壁

在交换偏置发现十年之后,Néel提出了一个理论模型[63],假设铁磁层和反铁磁层内部相邻原子层之间、以及反铁磁与铁磁在界面处存在铁磁耦合。每一层自旋满足如下的平衡条件:

JS[sin22(θ(θi+1-θi)+sini-θi-1]-2KFM(AFM)sinθi=022(8)

其中J、KFM和KAFM分别为自旋之间的界面交换常数、铁磁和反铁磁层内的各向异性常数。该方程推测在磁化强度转动过程中,反铁磁层和铁磁层内的磁化强度都将形成畴壁结构,其法线方向垂直于膜面100纳米,另外,大多数实验并没有在铁磁层中发现畴壁,。尽管这一模型有它的局限性,解决理论与实验上的严重分歧[71]:

(1)FM)AFM层;(3)可以在铁磁/。

:

)+KAFMtAFMsin2α-Jexcos(β-α)α-HMFMtFMcos(θ-βE=-σWcos(9)

上式各项依次为AFM畴壁能、磁场作用能、AFM层各向异性能、界面交换能。为简化起见,上述方程中未考虑铁磁层的各向异性。根据能量最小原理可以获得磁化曲线,这里AFM层易轴与FM层单向各向异性轴互相平行。当铁磁层的磁化强度转动时,反铁磁层内自旋形成畴壁结构,导致体系能量的增加。单位面积上的畴壁能量为σW=AFMKAFM,其中AAFM是交换常数。人们常考虑三种情况:强耦合情况,即JexµσW。

HE=-2MFMtFM

MFMt(10)弱耦合时,即JexνσW。HE=-(11)

后来人们研究了界面交换耦合能和反铁磁的畴壁能相近的情形[103]。即Jex～σW

σHE=22MFMtFMJex+σW(12)

如果进一步考虑铁磁层存在各向异性能,则交换偏置场及矫顽力与界面交换耦合能及反铁磁的畴壁能等物理量的关系的表达式比较复杂,需要根据具体情况分别讨论。Mauri宏观模型首先成功解释了交换偏置场与铁磁层厚度的关系;其次,在强耦合的情况下(JexµAFMKAFM),由于假设AFM层内形成了平行于界面的畴壁,能量减少πAFMKAFM/a≈100倍,HE远小于MΟB模型中交换偏置场的计算值,与实验结果相近,从而克服了MΟB模型存在的严重不足,这是该模型成功之处。最近的一些实验间接证明了铁磁

/反铁磁双层膜中铁磁层磁化强度翻转的过程中反铁磁的自旋形成了螺旋状结