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交換バイアスまたは交換異方性は、磁性材料の二重層 (または多層) で発生し、反強磁性薄膜の硬磁化挙動によって強磁性膜の軟磁化曲線にシフトが生じます。交換バイアス現象は磁気記録において非常に有用であり、ハードディスクドライブのリードバック ヘッドの状態を最大感度のポイントに正確に固定するために使用されます。そのため、「バイアス」という用語が使用されています。
基礎科学
この現象の根底にある基本的な物理は、反強磁性体と強磁性体の界面における交換相互作用である。反強磁性体の正味の磁化は小さいか全くないため、そのスピンの向きは外部から印加された磁場によってわずかにしか影響を受けない。反強磁性体と強く交換結合した柔らかい強磁性膜は、界面のスピンが固定される。強磁性体のモーメントの反転には、反強磁性膜内にネール磁壁を作成するために必要なエネルギーに対応する追加のエネルギーコストがかかる。追加されたエネルギー項は、強磁性体のスイッチング磁場のシフトを意味する。したがって、交換バイアスされた強磁性膜の磁化曲線は、H = 0 軸から H bだけシフトしていることを除けば、通常の強磁性体の磁化曲線に似ている。
よく研究されている強磁性体/反強磁性体の二重層では、強磁性体のキュリー温度は反強磁性体のネール温度T Nよりも高い。この不等式は、磁場を印加した状態で T Nまで冷却することで、交換バイアスの方向を設定できることを意味します。磁気的に整列した強磁性体のモーメントは、整列するにつれて反強磁性体に有効な磁場を印加し、対称性を破壊してドメインの形成に影響を与えます。
交換バイアス効果は、異なる磁性相間の界面に形成される強磁性一方向異方性に起因します。通常、異なる交換バイアスシステムで強磁性一方向異方性を得るには、高温からの磁場冷却プロセスが使用されます。2011 年には、磁化されていない状態からゼロ磁場冷却した後に大きな交換バイアスが実現されました。これは、初期磁化プロセス中に異なる磁性相間に新しく形成された界面に起因します。
交換異方性は、薄い反強磁性膜の磁壁のダイナミクスを研究することが難しいため、長い間十分に理解されていませんでした。この問題に対する素朴なアプローチでは、単位面積あたりのエネルギーについて次の式が提案されます。
ここで、nは単位面積あたりの界面スピン相互作用の数、J ex は界面の交換定数、S はスピンベクトル、M は磁化、t は膜厚、H は外部磁場です。添え字 F は強磁性体の特性を表し、AF は反強磁性体の特性を表します。この式では、反強磁性体の存在によって影響を受けない磁気結晶異方性は省略されています。強磁性体のスイッチング磁場では、第 1 項で表されるピンニングエネルギーと第 2 項で表されるゼーマン双極子結合は正確にバランスします。この式は、交換バイアスシフト H b が次の式で与えられること を予測します。
交換バイアスに関する多くの実験的知見は、この単純なモデルと矛盾しています。たとえば、測定された H b値の大きさは、パラメータの妥当な値に対する式で予測される値の 100 分の 1 であることが一般的です。ヒステリシス シフト H bの量は、界面に現れる反強磁性体の平面内の補償されていないスピンの密度nとは相関していません。さらに、交換バイアス効果は、多結晶二重層よりもエピタキシャル二重層の方が小さくなる傾向があり、欠陥が重要な役割を果たしていることを示唆しています。近年、反強磁性ドメインを画像化できるシンクロトロン放射に基づく元素固有の磁気線形二色性実験や、ダイナミクスを調べることができる周波数依存の磁化率測定によって、基礎的理解が進歩しました。Fe/FeF 2および Fe/MnF 2モデル システムに関する実験は特に実り多いものでした。
技術の影響
交換バイアスは当初、異方性磁気抵抗(AMR) 効果に基づくリードバック ヘッドの軟磁性層の磁化を安定化するために使用されていました。安定化が行われないと、ヘッドの磁区状態が予測不可能になり、信頼性の問題につながる可能性があります。現在、交換バイアスは、巨大磁気抵抗効果または磁気トンネル効果を利用するスピン バルブリードバック ヘッドおよびMRAMメモリ回路のより硬い参照層を固定するために使用されています。同様に、最先端のディスク メディアは反強磁性結合されており、界面交換を利用して、本来は超常磁性となる小さな磁性粒子の安定性を効果的に高めています。
交換バイアス材料に望ましい特性としては、高いネール温度、大きな磁気結晶異方性、および最も重要な強磁性膜である NiFe および Co との良好な化学的および構造的適合性などがあります。技術的に最も重要な交換バイアス材料は、NiO、CoO などの岩塩構造反強磁性酸化物とそれらの合金、および FeMn、NiMn、IrMn などの岩塩構造金属間化合物とそれらの合金です。
歴史
交換異方性は、1956年にゼネラル・エレクトリックのメイクルジョンとビーンによって発見されました。交換バイアスを採用した最初の商用デバイスは、IBMの 異方性磁気抵抗（AMR）ディスクドライブ 記録ヘッドでした。これは、1970年代のハントの設計に基づいていましたが、1990年代初頭まで誘導型リードバックヘッドを完全に置き換えることはありませんでした。1990年代半ばまでには、交換バイアス層を使用するスピンバルブヘッドがAMRヘッドを置き換える方向に進んでいました。
参考文献
- Meiklejohn, WH; Bean, CP (1957-02-03). 「新しい磁気異方性」. Physical Review . 105 (3): 904–913. Bibcode :1957PhRv..105..904M. doi :10.1103/PhysRev.105.904.
- S. Chikazumi および SH Charap、「磁気物理学」、 ASIN B0007DODNA。
- Nogués, J.; Ivan K. Schuller (1999-02-15). 「交換バイアス」. Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 192 (2): 203–232. Bibcode :1999JMMM..192..203N. doi :10.1016/S0304-8853(98)00266-2.
- Berkowitz, AE; Takano, Kentaro (1999). 「交換異方性 — レビュー」(PDF) . Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 200 (1–3). Elsevier BV: 552–570. Bibcode :1999JMMM..200..552B. doi :10.1016/s0304-8853(99)00453-9. ISSN 0304-8853. 2006-02-28 に オリジナル(PDF)からアーカイブ。
- John C. Mallinson、「磁気抵抗ヘッドとスピンバルブヘッド：基礎と応用」、 ISBN 0-12-466627-2。
- Kiwi, Miguel (2001 年 9 月). 「交換バイアス理論」. Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 234 (3): 584–595. Bibcode :2001JMMM..234..584K. doi :10.1016/S0304-8853(01)00421-8. hdl : 10533/172470 . S2CID 121873794.
- Ivan K. Schullerと G. Guntherodt、「交換バイアス宣言」、2002 年。
- Hong, Jung-Il; Leo, Titus; Smith, David J .; Berkowitz, Ami E. (2006-03-21). 「希釈反強磁性体による交換バイアスの強化」(PDF) . Physical Review Letters . 96 (11). American Physical Society (APS): 117204. Bibcode :2006PhRvL..96k7204H. doi :10.1103/physrevlett.96.117204. ISSN 0031-9007. PMID 16605860. 2011-06-07 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- Wang, BM; Liu, Y. ; Ren, P.; Xia, B.; Ruan, KB; Yi, JB; Ding, J.; Li, XG; Wang, L. (2011-02-17). 「非磁化状態からのゼロ磁場冷却後の大きな交換バイアス」. Physical Review Letters . 106 (7). American Physical Society (APS): 077203. arXiv : 1101.4737 . Bibcode :2011PhRvL.106g7203W. doi :10.1103/physrevlett.106.077203. ISSN 0031-9007. PMID 21405539. S2CID 36603253.