Гігантська магнітна анізотропія четвертого порядку в епітаксійних плівках NiMnGa

Запропоновано метод трансформації одновісної анізотропії обмінно зв’язаних наноелементів в ефективну анізотропію четвертого порядку при збереженні її величини. Вперше спостерігалась гігантська магнітна анізотропія четвертого порядку (з полем анізотропії до 4 кЕ) в двійниковій епітаксіальній плівці NiMnGa. Її поява зумовлена обмінним зв'язком між двійниковими варіантами, які мають сильні ортогонально спрямовані поля одноосної магнітокристалічної анізотропії, у випадку, коли поле обмінної взаємодії між двійниками порівнянне за величиною з полем анізотропії. Це відкриває шлях до підвищення порядку магнітної анізотропії в багатокомпонентній системі при збереженні значення поля анізотропії шляхом контролю обмінної взаємодії між компонентами будь-яких обмінно-зв’язаних багатошарових структур та масивів наноелементів. Слід зазначити, що навіть невелика зміна напряму зовнішнього магнітного поля в площині плівки призводить до суттєвої зміни умов резонансу, що відкриває шлях для ефективного керування робочою частотою систем спінтроніки та магнонніки. 

На рисунку схематично зображено двійникову структуру (вгорі) та експериментально спостережувані і теоретично розраховані залежності частот резонансу в площині від зовнішнього магнітного поля для різних кутів прикладеного магнітного поля (знизу).

P. Bondarenko, J. Kharlan, S. A. Bunyaev, O. Salyuk, I. R. Aseguinolaza, J. M. Barandiarán, G. N. Kakazei, V. Chernenko, V. Golub. Giant four-fold magnetic anisotropy in nanotwinned NiMnGa epitaxial films, [APL Materials 11, 121114 (2023)].

 

Стійка багатомодова генерація у спінтронному наноосциляторі

Вперше виявлено стійкий стаціонарний режим багатомодової генерації у спінтронному наноосциляторі (СНО) на базі наностовпчика. Встановлено, що фізичним процесом, відповідальним за багатомодову генерацію, є параметрична нестійкість другого порядку для безпосередньо збудженої моди СНО – фундаментальної моди вільного шару СНО. Для спостереження цієї нестійкості необхідна наявність спін-хвильової моди з частотою, меншою за фундаментальну, на яку, в той же час, не повинен впливати ефект спін-трансферу. Така нетривіальна ситуація реалізована завдяки гібридизації власних мод вільного та закріпленого шару, що зумовлює помітну чутливість багатомодового режиму до зовнішніх умов (кут поля зміщення). Цей параметрично зумовлений режим багатомодової генерації збагачує різноманіття динамічних режимів СНО і дає перспективу для нових застосувань, особливо, зважаючи на можливість приховування додаткового сигналу вибором способу реєстрації. Зокрема, він відкриває можливість перехресної синхронізації мод автоосцилятора, коли корисний та синхронізуючий сигнали розділені за частотою.

A. A. Hamadeh, D. Slobodianiuk, R. Moukhader, G. Melkov, V. Borynskyi, M. Mohseni, G. Finocchio, V. Lomakin, R. Verba, G. De Loubens, P. Pirro, and O. Klein, Simultaneous multitone microwave emission by dc-driven spintronic nano-element. [Sci. Adv. 9, eadk1430 (2023)].

 

Посилення магнітоелектричного зв’язку у композитах  п’єзополімер-феромагнетик

Виявлено і пояснено гігантський магнітоелектричний відгук на резонансній частоті пружних коливань п’єзополімерної  плівки P(VDF-TrFE) з імплантованими до неї мікрочастинками феромагнітного сплаву Гейслера Ni–Mn-Ga. Магнітоелектричний коефіцієнт такої плівки на два порядки перевищив той, що притаманний іншим композитним матеріалам п’єзополімер/феромагнетик. Показано, що фероеластичний (кубічно-тетрагональний) фазовий перехід у частинках Ni–Mn-Ga радикально змінює магнітоелектричні характеристики композиту Ni–Mn-Ga/P(VDF-TrFE): якщо феромагнітні частинки перебувають у кубічній кристалічній фазі то пікове значення магнітоелектричного коефіцієнта дорівнює 18.1 В/(см·Е), а якщо у тетрагональній ‒ то 6.05 18.1 В/(см·Е). Ця зміна зумовлена більшим значенням магнітної сприйнятливості кубічної кристалічної гратки порівняно з тетрагональною. Отримані результати відкрили шлях значного посилення магнітоелектричного відгуку композитних матеріалів п’єзополімер/феромагнетик, який полягає у використанні мультифероїків замість звичайних феромагнетиків.

На рисунку показано частотну залежність коефіцієнта пропорційності між амплітудою змінного магнітного поля h та амплітудою результуючого електричного поля E, притаманна п’єзополімеру з частинками, що мають кубічну (або тетрагональну, див. вставку) кристалічну ґратку.


V. A. L’vov, P. Martins, N. Pereira, A. García Díez, H. Hosoda, V. Chernenko, S. Lanceros-Mendez, Giant magnetoelectric effect of Ni–Mn-Ga/piezopolymer composites tailored by a martensitic transformation, [Composite Sci. Technol. 241 110101 (2023)].

 

Трансформація взаємодій у шаруватих наноструктурах з антиферомагнітним прошарком різної товщини

Антиферомагнітні матеріали - це основа для нового покоління запам’ятовуючих пристроїв, інформаційно-комунікаційних систем та квантових технологій. Їх перспективність визначається високими робочими частотами (до декількох терагерців), стійкістю до збурень, відсутністю паразитного магнітного поля та здатністю до ефективного керування спіновим станом. Однак, на даний час практично відсутня інформація про трансформацію властивостей антиферомагнетиків при зменшенні їхніх розмірів до субмікронних, а також про особливості впливу на них сусідніх сильно магнітних шарів у складних композитних системах.
Науковці Інституту магнетизму імені В.Г. Бар’яхтара НАН України спільно з колегами зі Швеції, Німеччини та Румунії вперше дослідили особливості міжшарових взаємодій у наносистемах, які містять феромагнітні (ФМ) та антиферомагнітні (АФМ) компоненти. Виявлено, що зміна товщини АФМ шару у межах декількох нанометрів може суттєво змінювати магнітну конфігурацію всієї системи. Визначено межі та напрями зміни геометричних та магнітних параметрів шарів для стабілізації певних магнітних конфігурацій або керованого їх перемикання. Отримані результати поглиблюють розуміння міжшарового обміну в наноструктурах, що містять АФМ компонент, і перспективні для застосування в антиферомагнітній спінтроніці та терагерцовій електроніці.

Polishchuk D.M., Tykhonenko-Polishchuk Yu.O., Lytvynenko Ya.M., Rostas A.M., Kuncser V., Kravets A.F., Tovstolytkin A.I., Gomonay O.V, and Korenivski V. Antiferromagnet-mediated interlayer exchange: Hybridization versus proximity effect, [Phys. Rev. B. 107, 224432 (2023)].

 

Енергоощадна технологія перероблення промислових стічних вод з вилучення іонів важких металів

Створено інноваційну технологію та установку для феритизації і подальшої кристалізації колоїдних розчинів заліза з утворенням феритів, що призначена для перероблення відпрацьованих травильних розчинів, використаних у промисловості, зокрема металургійній. Запропонувано оригінальний енергоощадний електромагнітно-імпульсний спосіб активації реакції феритизації, за якої витрачається на 60% менше енергоресурсів – порівняно із традиційною термічною технологією. Результати роботи показали, що активація змінними магнітними полями змінює процес формування фазових переходів залежно від технологічних параметрів феритизації, що впливає на техніко-економічні показники отримання стійких проміжних феритних сполук. Зокрема, показано, що традиційна активація процесу потребує нагрівання до 75оС за енерговитрат 90 Вт/дм3, тоді як активація змінним магнітним полем здійснюється за кімнатної температури з енерговитратами близько 27 Вт/дм3.
Показано,  що очищені стічні води придатні до повторного використання в промисловості, а вилучені ферити металів  можеть бути використанні для виготовлення лакофарбових покриттів та будівельних матеріалів з заданими механічними, корозійними властивостями і можливістю екранування електромагнітних випромінювань.

Samchenko, D., Kochetov, G., Derecha, D. O., & Skirta, Y. B. Sustainable approach for galvanic waste processing by energy-saving ferritization with AC-magnetic field activation. [Cogent Engineering, 9(1) (2023)].