Физики описали сверхбыстрый «волчок» намагниченности: новый шаг к терагерцовой памяти

Современная терагерцовая физика и сверхбыстрая спинтроника требуют точного описания магнитной динамики на экстремально коротких временных масштабах — пико- и субпикосекундах. В таких режимах традиционные модели, где намагниченность считается безынерционной и мгновенно реагирующей на поле, перестают работать. Как пояснил Антон Титов, младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спинтроники МФТИ, в быстрых процессах магнитный момент ведёт себя подобно тяжёлому волчку: на обычную прецессию вокруг эффективного магнитного поля накладывается дополнительное осциллирующее движение — нутация.

Инерционная модель: от волчка до энергетических ям

В качестве модельной системы учёные выбрали одноосный наномагнит с двумя устойчивыми ориентациями намагниченности, разделёнными энергетическим барьером. Внешнее магнитное поле делает эти ориентации неравноценными: одна потенциальная яма становится глубже, другая — мельче. Эта асимметрия позволяет моделировать реалистичную ситуацию, где внешнее поле влияет на вероятность переориентаций намагниченности между состояниями.

После этого в модель был добавлен тепловой шум. При нормальных условиях тепловые флуктуации в спиновых наносистемах не только влияют на динамику внутри потенциальных ям, но и способны «перебрасывать» намагниченность из одной ямы в другую. Именно учёт инерционности — возможность нутации — отличает новую модель от безынерционных подходов. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review B.

Три режима релаксации: от медленного перескока до быстрой нутации

Исследователи рассчитали спектр магнитной восприимчивости, чтобы выявить типы релаксационных процессов. Моделирование показало три отчётливых режима. Медленный релаксационный процесс связан с переориентацией намагниченности через потенциальный барьер: наномагнит может перейти из одного устойчивого состояния в другое как под действием внешнего поля, так и благодаря тепловым флуктуациям.

Промежуточный режим соответствует локальной релаксации внутри одной потенциальной ямы — намагниченность совершает прецессионно-нутационное движение, постепенно возвращаясь к равновесию, не покидая яму. И третий, быстрый релаксационный процесс, определяется чисто нутационным движением — инерционным эффектом, который невозможно наблюдать в безынерционных моделях.

Предложенный метод позволяет рассчитывать восприимчивость ферромагнитных наночастиц в широком диапазоне частот — от низкочастотной области до терагерцового диапазона, где учёт инерционности принципиален. «Разработанный нами теоретический подход является универсальным. Он объединяет в себе как предыдущие достижения, основанные на традиционном рассмотрении безынерционных магнитодинамических процессов, так и новые результаты, связанные с инерционностью намагниченности», — отметил Антон Титов.

Работа открывает путь к более реалистичному описанию наномагнитов, одновременно учитывающему тепловые флуктуации, влияние внешнего поля, преодоление энергетических барьеров и нутацию. Это, в свою очередь, ускоряет разработку устройств сверхбыстрой магнитной памяти и терагерцовой спинтроники.