Группа российских исследователей ФИЦ ПХФ и МХ РАН и Сеченовского университета подробно изучила перемагничивание кристалла CrSBr — слоистого соединения, которое привлекает внимание как перспективный материал для спинтроники и магнитной памяти. Работа опубликована в научном журнале Physical Review B (IF=3.7)

Учёных интересовало, как меняются магнитные характеристики кристалла при охлаждении и под действием внешнего магнитного поля. Особое внимание они уделили замедлению спиновой релаксации (то есть тому, как долго магнитные моменты «приходят в себя» после возмущения магнитным полем) и последующему «застыванию» спинов при температурах ниже 100 К — эффектам, которые ранее были обнаружены методами мюонной и нейтронной дифракции.

Ключевые находки

1. Три температурных режима и смена механизма перемагничивания
   1. Ниже 40 К переворот намагниченности происходит через зарождение новых магнитных доменов.
   1. Выше 100 К доминирует распространение доменных границ в нескольких уже существующих доменах.
   1. В промежутке 40–100 К наблюдается постепенное замедление термических флуктуаций — спины начинают вести себя, как вязкая жидкость.
2. «Медленная» магнитная релаксация
   Времена релаксации достигают порядка 10³ секунд — это очень много для магнитных материалов. Такая «память» системы проявляется в гистерезисных явлениях и анализе кривых перемагничивания (FORC — first-order reversal curve).
3. Фазовые переходы под полем
   В зависимости от величины внешнего поля кристалл последовательно переходит из антиферромагнитного состояния в наклонное (canted) и затем в ферромагнитное. Эти переходы типа «спин-флоп» (spin flop) чётко видны по резким изменениям магнитной восприимчивости, магнитной вязкости и магнитного момента.
4. Динамика во временном окне 1–100 мс
   Измеряя восприимчивость на переменном токе, авторы зафиксировали множество пиков в диапазоне 40–100 К, которые отвечают за перемагничивание спиновых островков.

Почему это важно

CrSBr — это не просто очередной магнитный кристалл. Он принадлежит к классу двумерных магнитных полупроводников, а замедление спиновой динамики влияет на:

• Электрическую двумерную проводимость;
• Минимальные размеры магнитных логических устройств;
• Ландшафт спинов на двумерном листе и создает магнитный рисунок

Работа вносит вклад в физику двумерных магнитных материалов и, в частности, в понимание того, как сосуществуют и сменяют друг друга динамические и статические магнитные состояния в слоистых кристаллах. Для неспециалиста главный вывод звучит почти поэтично: при охлаждении магнитные моменты в CrSBr постепенно теряют свою подвижность, застывают, и весь механизм перемагничивания меняется — вместе со спинами замораживается движение доменных границ, а вместо него под действием поля размножаются зародыши обратной намагниченности. А значит, география островков перемагниченного материала в двумерных листках можно меняется в зависимости от поля и температуры.

Bakhmetiev M. V., D.L. Gusenkov, A. I. Chernov, Roman B. Morgunov // Spin flop and slowing of magnetic fluctuations probed by magnetization reversal and magnetic susceptibility in a CrSBr crystal // Physical Review B  IF=3,7, Q-2

DOI: https://doi.org/10.1103/t4zl-h3tg