Электронный научный журнал
 
Diagnostics, Resource and Mechanics 
         of materials and structures
ВыпускиО журналеАвторуРецензентуКонтактыНовостиРегистрация

2024 Выпуск 4

Все выпуски
 
2024 Выпуск 4
 
2024 Выпуск 3
 
2024 Выпуск 2
 
2024 Выпуск 1
 
2023 Выпуск 6
 
2023 Выпуск 5
 
2023 Выпуск 4
 
2023 Выпуск 3
 
2023 Выпуск 2
 
2023 Выпуск 1
 
2022 Выпуск 6
 
2022 Выпуск 5
 
2022 Выпуск 4
 
2022 Выпуск 3
 
2022 Выпуск 2
 
2022 Выпуск 1
 
2021 Выпуск 6
 
2021 Выпуск 5
 
2021 Выпуск 4
 
2021 Выпуск 3
 
2021 Выпуск 2
 
2021 Выпуск 1
 
2020 Выпуск 6
 
2020 Выпуск 5
 
2020 Выпуск 4
 
2020 Выпуск 3
 
2020 Выпуск 2
 
2020 Выпуск 1
 
2019 Выпуск 6
 
2019 Выпуск 5
 
2019 Выпуск 4
 
2019 Выпуск 3
 
2019 Выпуск 2
 
2019 Выпуск 1
 
2018 Выпуск 6
 
2018 Выпуск 5
 
2018 Выпуск 4
 
2018 Выпуск 3
 
2018 Выпуск 2
 
2018 Выпуск 1
 
2017 Выпуск 6
 
2017 Выпуск 5
 
2017 Выпуск 4
 
2017 Выпуск 3
 
2017 Выпуск 2
 
2017 Выпуск 1
 
2016 Выпуск 6
 
2016 Выпуск 5
 
2016 Выпуск 4
 
2016 Выпуск 3
 
2016 Выпуск 2
 
2016 Выпуск 1
 
2015 Выпуск 6
 
2015 Выпуск 5
 
2015 Выпуск 4
 
2015 Выпуск 3
 
2015 Выпуск 2
 
2015 Выпуск 1

 

 

 

 

 

S. V. Batalov, V. D. Bessonov, V. S. Teplov, A. V. Telegin

AN EQUIVALENT MODEL FOR MICROMAGNETIC SIMULATION OF THE MAGNETIZATION OF FERRIMAGNETIC STRUCTURES

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.4.035-046

A model for micromagnetic simulation of the magnetization of a ferrimagnetic film consisting of an alloy of ferromagnetic and rare-earth metals is proposed and discussed. It is shown that the model qualitatively replicates the experimentally observed temperature dependencies of the saturation magnetization of various ferrimagnetic alloys for different percentages of the rare-earth element and that it exhibits a similar magnetic hysteresis loop. The results of the study are of interest for the theoretical analysis of the magnetization behavior of ferromagnetic–heavy-metal film nanostructures, as well as for solving problems of applied materials science and magnetism.

Acknowledgements: The work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 21-72-20160 (https://rscf.ru/en/project/21-72-20160). We appreciate the assistance from the shared research facilities center of the FEFU.

Keywords: ferrimagnetic films, micromagnetic simulation, saturation magnetization, magnetic hysteresis, magnetic anisotropy

Bibliography:

  1. Stashkevich, A.A. Spin-orbitronics a novel trend in spin oriented electronics. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics, 2019, 22 (6), 45–54. DOI: 10.32603/1993-8985-2019-22-6-45-54.
  2. Ustinov, V.V., Yasyulevich, I.A., and Bebenin, N.G. The chiral spin-orbitronics of a helimagnet–normal metal heterojunction. Physics of Metals and Metallography, 2023, 24, 195–204. DOI: 10.1134/S0031918X22601895.
  3. Fert, A. and Van Dau, F.N. Spintronics, from giant magnetoresistance to magnetic skyrmions and topological insulators. Comptes Rendus Physique, 2019, 20 (7–8), 817–831. DOI:  10.1016/j.crhy.2019.05.020.
  4. Tang, J., Kong, L., Wang, W., Du, H., and Tian, M. Lorentz transmission electron microscopy for magnetic skyrmions imaging. Chinese Physics B, 2019, 28 (8), 087503. DOI: 10.1088/1674-1056/28/8/087503.
  5. Fert, A., Reyren, N., and Cros, V. Magnetic skyrmions: advances in physics and potential applications. Nature Reviews Materials, 2017, 2 (7), 1–15. DOI: 10.1038/natrevmats.2017.31.
  6. Ding, J., Yang, X., and Zhu, T. Manipulating current induced motion of magnetic skyrmions in the magnetic nanotrack. Journal of Physics D: Applied Physics, 2015, 48 (11), 115004. DOI: 10.1088/0022-3727/48/11/115004.
  7. Kang, W., Wu, B., Chen, X., Zhu, D., Wang, Z., Zhang, X., Zhou, Y., Zhang, Y., and Zhao, W. A comparative cross-layer study on racetrack memories: domain wall vs skyrmion. ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems (JETC), 2019, 16 (1), 1–17. DOI: 10.1145/3333336.
  8. Song, K.M., Jeong, J.S., Pan, B., Zhang, X., Xia, J., Cha, S., Park, T.-E., Kim, K, Finizio, S., Raabe, J., Chang, J., Zhou, Y, Zhao, W., Kang, W., Ju, H., and Woo, S. Skyrmion-based artificial synapses for neuromorphic computing. Nature Electronics, 2020, 3 (3), 148–155. DOI: 10.1038/s41928-020-0385-0.
  9. Göbel, B., Mertig, I., and Tretiakov, O.A. Beyond skyrmions: review and perspectives of alternative magnetic quasiparticles. Physics Reports, 2021, 895, 1–28. DOI: 10.1016/j.physrep.2020.10.001.
  10. Wei, W.S., He, Z.D., Qu, Z., and Du, H.F. Dzyaloshinsky–Moriya interaction (DMI)-induced magnetic skyrmion materials. Rare Metals, 2021, 40 (11), 3076–3090. DOI: 10.1007/s12598-021-01746-9.
  11. Ma, M., Pan, Z., and Ma, F. Artificial skyrmion in magnetic multilayers. Journal of Applied Physics, 2022, 132 (4), 043906. DOI: 10.1063/5.0095875.
  12. Leliaert, J. and Mulkers, J. Tomorrow’s micromagnetic simulations. Journal of Applied Physics, 2019, 125 (18), 180901. DOI: 10.1063/1.5093730.
  13. Bo, L., Hu, C., Zhao, R., Zhang, X. Micromagnetic manipulation and spin excitation of skyrmionic structures. Journal of Physics D: Applied Physics, 2022, 55 (33), 333001. DOI: 10.1088/1361-6463/ac6cb2.
  14. Ognev, A.V., Kolesnikov, A.G., Kim, Y.J., Cha, I.H., Sadovnikov, A.V., Nikitov, S.A., Soldatov, I.V., Talapatra, A., Mohanty, J., Mruczkiewicz, M., Ge, Y., Kerber, N., Dittrich, F., Virnau, P., Klaui, M., Kim, Y.K., and Samardak, A.S. Magnetic direct-write skyrmion nanolithography. ACS Nano, 2020, 14 (11), 14960–14970. DOI: 10.1021/acsnano.0c04748.
  15. Landau, L. and Lifshits, E. On the theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies. Phys. Zeitsch. der Sow., 1935, 8, 153–169.
  16. Gilbert, T.L. A Lagrangian formulation of the gyromagnetic equation of the magnetization field. Physical Review D, 1955, 100, 1243.
  17. Vansteenkiste, A., Leliaert, J., Dvornik, M., Helsen, M., Garcia-Sanchez, F., and Van Waeyenberge, B. The design and verification of MuMax3. AIP Advances, 2014, 4 (10), 107133. DOI: 10.1063/1.4899186.
  18. Donahue, M.J. and Porter, D.G. OOMMF User's Guide, Version 1.0, 1999. DOI: 10.1002/HTTPS://DX.DOI.ORG/10.6028/NIST.IR.6376.
  19. Teplov, V.S., Bessonov, V.D., and Telegin, A.V. Numerical simulation of magnetization in PMA films. Zhurnal Radioelektroniki, 2022, 7. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.7.3. Available at: http://jre.cplire.ru/jre/jul22/3/abstract_e.html
  20. Gubanov, V.A., Kruglyak, V.V., Sadovnikov, A.V. Controlling the modes of spin wave propagation in an yttrium iron garnet waveguide by local laser heating. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2023, 87 (3), 362–366. DOI: 10.3103/S1062873822701246.
  21. Teplov, V.S., Bessonov, V.D., Batalov, S.V., and Telegin A.V. 150-degree nonlinear magnetic oscillations in YIG films. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 2022, 35 (6), 1389–1395. DOI: 10.1007/s10948-022-06208-6.
  22. Ivanov, B.A. Ultrafast spin dynamics and spintronics for ferrimagnets close to the spin compensation point. Low Temperature Physics, 2019, 45 (9), 935–963. DOI: 10.1063/1.5121265.
  23. Zhang, Y., Feng, X., Zheng, Z., Zhang, Z., Lin, K., Sun, X., Wang, G., Wang, J., Wei, J., Vallobra, P., He, Y., Wang, Z., Chen, L., Zhang, K., Xu, Y., and Zhao, W. Ferrimagnets for spintronic devices: from materials to applications. Applied J. Physics Reviews, 2023, 10 (1), 011301. DOI: 10.1063/5.0104618.
  24. Kim, S.K., Beach, G.S., Lee, K.J., Ono, T., Rasing, T., and Yang, H. Ferrimagnetic spintronics. Nature Materials, 2022, 21 (1), 24–34. DOI: 10.1038/s41563-021-01139-4.
  25. Barker, J. and Atxitia, U. A review of modelling in ferrimagnetic spintronics. Journal of the Physical Society of Japan, 2021, 90 (8), 081001. DOI: 10.7566/JPSJ.90.081001.
  26. Tanaka, H., Takayama, S., and Fujiwara, T. Electronic-structure calculations for amorphous and crystalline Gd33Fe67 alloys. Physical Review B, 1992, 46 (12), 7390. DOI: 10.1103/PhysRevB.46.7390.
  27. Stebliy, M.E., Bazrov, M.A., Namsaraev, Z.Z., Letushev, M.E., Kozlov, A.G., Antonov, V.A., Stebliy, E.V., Davydenko, A.V., Ognev, A.V., Shiota, Y., Ono, T., and Samardak, A.S. Nonuniform current-driven formation and displacement of the magnetic compensation point in variable-width nanoscale ferrimagnets. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15 (34), 40792-40798. DOI: 10.1021/acsami.3c08979.
  28. Schubert, C., Hebler, B., Schletter, H., Liebig, A., Daniel, M., Abrudan, R., Radu, F., and Albrecht, M. Interfacial exchange coupling in Fe-Tb/[Co/Pt] heterostructures. Physical Review B, 2013, 87, 054415. DOI: 10.1103/PhysRevB.87.054415.
  29. Hassdenteufel, A., Hebler, B., Schubert, C., Liebig, A., Teich, M., Helm, M., Aeschlimann, M., Manfred, A., and Bratschitsch, R. Thermally assisted all-optical helicity dependent magnetic switching in amorphous Fe100-xTbx alloy films. Advanced Materials, 2013, 25 (22), 3122–3128. DOI: 10.1002/adma.201300176.
  30. Hebler, B., Hassdenteufel, A., Reinhardt, P., Karl, H., and Albrecht, M. Ferrimagnetic Tb–Fe alloy thin films: composition and thickness dependence of magnetic properties and all-optical switching. Frontiers in Materials, 2016, 3, 8. DOI: 10.3389/fmats.2016.00008.

С. В. Баталов, В. Д. Бессонов, В. С. Теплов, А. В Телегин

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ МИКРОМАГНИТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ФЕРРИМАГНИТНЫХ СТРУКТУР

Предложена и рассмотрена модель микромагнитного моделирования намагниченности ферримагнитной пленки, состоящей из сплава ферромагнитного и редкоземельного металлов. Показано, что модель качественно повторяет экспериментально наблюдаемые температурные зависимости намагниченности насыщения ферримагнитных сплавов для разного процентного содержания редкоземельного элемента, а также имеет аналогичную петлю магнитного гистерезиса. Результаты работы представляют интерес для теоретического анализа особенностей поведения намагниченности пленочных металлических наноструктур типа «ферримагнетик – тяжелый металл» и решения задач прикладного материаловедения и магнетизма.

Благодарности: Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 21-72-20160 (https://rscf.ru/en/project/21-72-20160). Авторы также благодарят за помощь в работе ЦКП ДВФУ.

Ключевые слова: ферримагнитные пленки, микромагнитное моделирование, намагниченность насыщения, магнитный гистерезис, магнитная анизотропия

Библиография:

  1. Stashkevich A. A. Spin-orbitronics a novel trend in spin oriented electronics // Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. – 2019. – Vol. 22 (6). – P. 45–54. – DOI: 10.32603/1993-8985-2019-22-6-45-54.
  2. Ustinov V. V., Yasyulevich I. A., Bebenin N. G. The chiral spin-orbitronics of a helimagnet–normal metal heterojunction // Physics of Metals and Metallography. – 2023. – Vol. 24. – P. 195–204. – DOI: 10.1134/S0031918X22601895.
  3. Fert A., Van Dau F. N. Spintronics, from giant magnetoresistance to magnetic skyrmions and topological insulators // Comptes Rendus Physique. – 2019. – Vol. 20, Nos. 7–8. – P. 817–831. – DOI: 10.1016/j.crhy.2019.05.020.
  4. Lorentz transmission electron microscopy for magnetic skyrmions imaging / J. Tang, L. Kong, W. Wang, Du H., M. Tian // Chinese Physics B. – 2019. – Vol. 28, No. 8. – P. 087503. – DOI: 10.1088/1674-1056/28/8/087503.
  5. Fert A., Reyren N., Cros V. Magnetic skyrmions: advances in physics and potential applications // Nature Reviews Materials. – 2017. – Vol. 2, No. 7. – P. 1–15. – DOI: 10.1038/natrevmats.2017.31.
  6. Ding J., Yang X., Zhu T. Manipulating current induced motion of magnetic skyrmions in the magnetic nanotrack // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2015. – Vol. 48, No. 11. – P. 115004. – DOI: 10.1088/0022-3727/48/11/115004.
  7. A comparative cross-layer study on racetrack memories: domain wall vs skyrmion / W. Kang, B. Wu, X. Chen, D. Zhu, Z. Wang, X. Zhang, Y. Zhou, Y. Zhang, W. Zhao // ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems (JETC). – 2019. – Vol. 16, No. 1. – P. 1–17. – DOI: 10.1145/3333336.
  8. Skyrmion-based artificial synapses for neuromorphic computing / K. M. Song, J. S. Jeong, B. Pan, X. Zhang, J. Xia, S. Cha, T.-E. Park, K. Kim, S. Finizio, J. Raabe, J. Chang, Y. Zhou, W. Zhao, W. Kang, H. Ju, S. Woo // Nature Electronics. – 2020. – Vol. 3, No. 3. – P. 148–155. – DOI: 10.1038/s41928-020-0385-0.
  9. Göbel B., Mertig I., Tretiakov O. A. Beyond skyrmions: review and perspectives of alternative magnetic quasiparticles // Physics Reports. – 2021. – Vol. 895. – P. 1–28. – DOI: 10.1016/j.physrep.2020.10.001.
  10. Dzyaloshinsky–Moriya interaction (DMI)-induced magnetic skyrmion materials / W.-S. Wei, Z.-D. He, Z. Qu, H.-F. Du // Rare Metals. – 2021. – Vol. 40, No. 11. – P. 3076–3090. – DOI: 10.1007/s12598-021-01746-9.
  11. Ma M., Pan Z., Ma F. Artificial skyrmion in magnetic multilayers // Journal of Applied Physics. – 2022. – Vol. 132, No. 4. – P. 043906. – DOI: 10.1063/5.0095875.
  12. Leliaert J., Mulkers J. Tomorrow’s micromagnetic simulations // Journal of Applied Physics. – 2019. – Vol. 125, No. 18. – P. 180901. – DOI: 10.1063/1.5093730.
  13. Micromagnetic manipulation and spin excitation of skyrmionic structures / L. Bo, C. Hu, R. Zhao, X. Zhang // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2022. – Vol. 55, No. 33. – P. 333001. – DOI: 10.1088/1361-6463/ac6cb2.
  14. Magnetic direct-write skyrmion nanolithography / A. V. Ognev, A. G. Kolesnikov, Y. J. Kim, I. H. Cha, A. V. Sadovnikov, S. A. Nikitov, I. V. Soldatov, A. Talapatra, J. Mohanty, M. Mruczkiewicz, Y. Ge, N. Kerber, F. Dittrich, P. Virnau, M. Klaui, Y. K. Kim, A. S. Samardak // ACS Nano. – 2020. – Vol. 14, No. 11. – P. 14960–14970. – DOI: 10.1021/acsnano.0c04748.
  15. Landau L., Lifshits E. On the theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies // Phys. Zeitsch. der Sow. – 1935. – 8. – P. 153–169.
  16. Gilbert T. L. A Lagrangian formulation of the gyromagnetic equation of the magnetization field // Physical Review D. – 1955. – Vol. 100. – P. 1243.
  17. The design and verification of MuMax3 / A. Vansteenkiste, J. Leliaert, M. Dvornik, M. Helsen, F. Garcia-Sanchez, B. Van Waeyenberge // AIP Advances. – 2014. – Vol. 4, No. 10. – P. 107133. – DOI: 10.1063/1.4899186.
  18. Donahue M. J., Porter D. G. OOMMF User's Guide, Version 1.0. – 1999. – DOI: 10.1002/HTTPS://DX.DOI.ORG/10.6028/NIST.IR.6376.
  19. Теплов В. С., Бессонов В. Д., Телегин А. В. Численное моделирование поведения намагниченности в одноосных магнитных пленках // Журнал радиоэлектроники. – 2022. – No. 7. – DOI: 10.30898/1684-1719.2022.7.3. – URL: http://jre.cplire.ru/jre/jul22/3/abstract_e.html
  20. Gubanov V. A., Kruglyak V. V., Sadovnikov A. V. Controlling the modes of spin wave propagation in an yttrium iron garnet waveguide by local laser heating // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2023. – Vol. 87, No. 3. – P. 362–366. – DOI: 10.3103/S1062873822701246.
  21. 150-degree nonlinear magnetic oscillations in YIG films / V. S. Teplov, V. D. Bessonov, S. V. Batalov, A. V. Telegin // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. – 2022. – Vol. 35, No. 6. – P. 1389–1395. – DOI: 10.1007/s10948-022-06208-6.
  22. Ivanov B. A. Ultrafast spin dynamics and spintronics for ferrimagnets close to the spin compensation point // Low Temperature Physics. – 2019. – Vol. 45, No. 9. – P. 935–963. –DOI: 10.1063/1.5121265.
  23. Ferrimagnets for spintronic devices: from materials to applications / Y. Zhang, X. Feng, Z. Zheng, Z. Zhang, K. Lin, X. Sun, G. Wang, J. Wang, J. Wei, P. Vallobra, Y. He, Z. Wang, L. Chen, K. Zhang, Y. Xu, W. Zhao // Applied J. Physics Reviews. – 2023. – Vol. 10, No. 1. – P. 011301. – DOI: 10.1063/5.0104618.
  24. Ferrimagnetic spintronics / S. K. Kim, G. S. Beach, K. J. Lee, T. Ono, T. Rasing, H. Yang // Nature Materials. – 2022. – Vol. 21 (1). – P. 24–34. – DOI: 10.1038/s41563-021-01139-4.
  25. Barker J., Atxitia U. A review of modelling in ferrimagnetic spintronics // Journal of the Physical Society of Japan. – 2021. – Vol. 90 (8). – P. 081001. – DOI: 10.7566/JPSJ.90.081001.
  26. Tanaka H., Takayama S., Fujiwara T. Electronic-structure calculations for amorphous and crystalline Gd33Fe67 alloys // Physical Review B. – 1992. – Vol. 46 (12). – P. 7390. – DOI: 10.1103/PhysRevB.46.7390.
  27. Nonuniform current-driven formation and displacement of the magnetic compensation point in variable-width nanoscale ferrimagnets / M. E. Stebliy, M. A. Bazrov, Z. Z. Namsaraev, M. E. Letushev, A. G. Kozlov, V. A. Antonov, E. V. Stebliy, A. V. Davydenko, A. V. Ognev, Y. Shiota, T. Ono, A. S. Samardak // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2023. – Vol. 15 (34). – P. 40792–40798. – DOI: 10.1021/acsami.3c08979.
  28. Interfacial exchange coupling in Fe–Tb/[Co/Pt] heterostructures / C. Schubert, B. Hebler, H. Schletter, A. Liebig, M. Daniel, R. Abrudan, F. Radu, M. Albrecht // Physical Review B. – 2013. – Vol. 87. – P. 054415. – DOI: 10.1103/PhysRevB.87.054415.
  29. Thermally assisted all-optical helicity dependent magnetic switching in amorphous Fe100-xTbx alloy films / A. Hassdenteufel, B. Hebler, C. Schubert, A. Liebig, M. Teich, M. Helm, M. Aeschlimann, A. Manfred, R. Bratschitsch // Advanced Materials. – 2013. – Vol. 25 (22). – P. 3122–3128. – DOI: 10.1002/adma.201300176.
  30. Ferrimagnetic Tb–Fe alloy thin films: composition and thickness dependence of magnetic properties and all-optical switching / B. Hebler, A. Hassdenteufel, P. Reinhardt, H. Karl, M. Albrecht // Frontiers in Materials. – 2016. – Vol. 3. – P. 8. – DOI: 10.3389/fmats.2016.00008.

PDF      

Библиографическая ссылка на статью

An Equivalent Model for Micromagnetic Simulation of the Magnetization of Ferrimagnetic Structures / S. V. Batalov, V. D. Bessonov, V. S. Teplov, A. V. Telegin // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 4. - P. 35-46. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.4.035-046. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2024-4/2024-4_450.html
(accessed: 27.09.2024).

 

импакт-фактор
РИНЦ 0.42

категория К2
в перечне ВАК

МРДМК 2024
ЦКП Пластометрия
НЭБ РИНЦ
Google Scholar


РНБ
Лань

 

Учредитель:  Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук
Главный редактор:  С.В.Смирнов
При цитировании ссылка на Электронный научно-технический журнал "Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures" обязательна. Воспроизведение материалов в электронных или иных изданиях без письменного разрешения редакции запрещено. Опубликованные в журнале материалы могут использоваться только в некоммерческих целях.
Контакты  
 
Главная E-mail 0+
 

ISSN 2410-9908 Регистрация СМИ в Роскомнадзоре Эл № ФС77-57355 от 24 марта 2014 г. © ИМАШ УрО РАН 2014-2024, www.imach.uran.ru