Особенности гистерезиса в ферромагнитной пленке на поверхности магнитожесткого антиферромагнетика с доменной структурой

Abstract

Теоретически исследовано явление обменного сдвига и особенности гистерезисных зависимостей намагниченности тонкой ферромагнитной пленки на шероховатой поверхности магнитожесткого антиферромагнетика. Предложена модель границы раздела, содержащей периодическую структуру атомных ступенек, с которыми связано пространственно неоднородное распределение намагниченности ферромагнитной пленки типа системы доменных границ. Наличие такой структуры приводит к сложной зависимости намагниченности от внешнего поля: гистерезисная кривая может принимать несимметричную форму и «распадаться» на две гистерезисные петли, разделенные «горизонтальными плато» — участками с постоянной не зависящей от поля намагниченностью. Такое поведение полевых зависимостей в последнее время наблюдалось экспериментально в различных системах ферро/антиферромагнетик. Аналитически в рамках длинноволнового приближения найдены зависимости намагниченности от внешнего поля при различных значениях характеристик ферромагнитной пленки (ее толщины, величин обменного взаимодействия и магнитной анизотропии) и границы раздела (периода неоднородной структуры и обменного взаимодействия через границу). Аналитические результаты подтверждены численными расчетами для соответствующей дискретной модели с более сложной структурой интерфейса.

Теоретично досліджено явище обмінного зсуву та особливості гістерезисних залежностей намагнічування тонкої феромагнітної плівки на шорсткій поверхні магнітожорсткого антиферомагнетика. Запропоновано модель такої границі розділу, що містить періодичну структуру атомних сходинок, з якими пов’язаний просторово-неоднорідний розподіл намагнічування феромагнітної плівки типу системи доменних границь. Наявність такої структури призводить до складної залежності намагнічування від зовнішнього поля: гістерезисна крива може приймати несиметричну форму та «розпадатися» на дві гістерезисні петлі, які розділені «горизонтальними плато» — ділянками з постійним не залежним від поля намагнічуванням. Така поведінка польових залежностей в останній час спостерігалась експериментально у багатьох системах феро/антиферомагнетик. Аналітично у рамках довгохвильового наближення знайдено залежності намагнічування від зовнішнього поля при різних значеннях характеристик феромагнітної плівки (ії товщини, величини обмінної взаємодії та магнітної анізотропії) та границі розділу (періоду неоднорідної структури та обмінної взаємодії через границю). Аналітичні результати підтверджено чисельними розрахунками для відповідної дискретної моделі з більш складною структурою інтерфейсу.

The exchange bias phenomenon and the hysteresis loop features of a thin ferromagnetic film on a rough surface of a hard-magnetic antiferromagnet have been studied theoretically. The model of such interface with a periodical structure of atomic steps has been proposed. These atomic steps are associated with the bulk inhomogeneous distribution of the magnetization in the ferromagnetic film similar to the system of domain walls. This structure leads to a complicated field dependence of magnetization. The hysteresis curve may be asymmetric and may split into two hysteresis loops, which are separated by a horizontal plateau, i.e., by the area with constant field-independent magnetization. Similar behavior of the field dependence has been observed recently in various ferro/antiferromagnetic systems. The field dependence of the magnetization has been obtained analytically in the long-wave approximation for various characteristics of the ferromagnetic film (thickness, value of exchange interaction and magnetic anisotropy) and interface, i.e., the period of the inhomogeneous structure and exchange interaction through the interface. The analytical results are confirmed by numerical simulations for the corresponding discrete system with a more complicated structure of the interface.