Как определенные наноразмерные дефекты кристаллов могут резко усилить ферромагнетизм

Магнитные материалы лежат в основе многих технологий, от хранения данных до устройств спинтроники нового поколения. Однако по мере того, как интегральные схемы становятся все более миниатюрными, а размеры магнитных компонентов приближаются к наноразмерам, магнитные свойства могут исчезнуть. Ясукадзу Мураками и его коллеги из Центра исследований новых веществ RIKEN и Университета Тохоку в Японии теперь получили важную информацию о разработке стабильных, сильных наномагнитов благодаря открытию усиленной намагниченности из-за наноразмерного атомного беспорядка в железо-алюминиевых сплавах.

Сплавы железа с алюминием, богатые железом, необычны, поскольку небольшие механические или термические деформации могут резко повысить ферромагнитные свойства материалов. Исследователи полагают, что этот эффект возникает из-за перехода между химически упорядоченной фазой и химически неупорядоченной фазой, что увеличивает плотность ближайших пар атомов железо-железо внутри кристалла. Упорядоченная фаза содержит тип планарных дефектов, называемых противофазными границами (АПГ), с пониженной степенью упорядоченности.

Однако наблюдение APB является сложной задачей, поскольку большинство экспериментальных инструментов не способны изолировать магнитные сигналы, возникающие из сложных, узких наноразмерных интерфейсов. Мураками и его коллеги решили эту проблему, используя недавно разработанную технику электронной голографии с разделенным освещением. Этот метод электронной микроскопии разделяет падающую электронную волну на два луча: один взаимодействует с образцом, а другой обеспечивает эталонный вакуумный сигнал. Интерференция двух лучей создает электронные голограммы с достаточно высоким уровнем отношения сигнал/шум, чтобы обнаружить минимальные изменения в межфазных магнитных полях.

Исследователи использовали метод электронной голографии для изучения термообработанного сплава, состоящего из железа 70% и алюминия 30%, и наблюдали APB в виде тонких волнистых узоров шириной не более трех нанометров. При более внимательном рассмотрении было обнаружено, что плотности магнитного потока в APB усиливаются 60% по сравнению с областью матрицы в упорядоченной фазе за счет увеличения плотности ближайших пар железо-железо. Более того, голографические изображения, полученные во время нагрева сплава, показали, что даже при повышенных температурах замечательное межфазное спиновое упорядочение ограничивалось областями APB (рис. 1).

Мураками отмечает, что эти неожиданные открытия, которые, по-видимому, противоречат традиционным концепциям магнитного спинового упорядочения, могут заложить основу для разработки наномагнитов с APB-индуцированной активностью под контролем электронной микроскопии высокого разрешения. «Передовые методы электронной голографии, использованные в этой работе, позволили провести точный анализ намагничивания области интерфейса нанометрового размера», — говорит он. «Эти методы могут широко применяться для решения ведущих задач спинтроники, физики, химии и материаловедения».