Магниторефрактивный эффект в металлических наноструктурах Co/Pt

Цели. Теоретически исследовать особенности магниторефрактивного эффекта для наноструктур типа металл – металл на примере многослойных наноструктур Co/Pt (ферромагнитный металл – парамагнитный металл) с разным соотношением ферромагнитной и парамагнитной фаз в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра.
Методы. С помощью основных формул для диэлектрической проницаемости, оптической проводимости, коэффициентов рефракции и экстинкции, выявлена и выражена в явном виде связь магниторефрактивного эффекта с эффектом гигантского магнитосопротивления (магниторезистивным эффектом), что подтверждает общую природу этих двух эффектов. С помощью формул Френеля для трехслойной структуры рассчитан магниторефрактивный эффект для s-поляризации света с учетом толщины образцов и влияния подложки. Для расчета диэлектрической проницаемости материалов применялись методы эффективной среды. Так как исследовался средний диапазон концентраций кобальта, то для нахождения эффективных диэлектрических проницаемостей наноструктур применялось приближение Бруггемана. Для всех наноструктур рассчитывался коэффициент отражения при нормальном падении.
Результаты. Благодаря тому, что диэлектрическая проницаемость неоднородных образцов была заменена общим эффективным параметром, зависящим от диэлектрической проницаемости каждого компонента, мы смогли применить теорию Друде – Лоренца для проводников в высокочастотном переменном поле и оценить параметры электронной структуры исследуемых образцов. Были рассчитаны значения плазменной и релаксационной частот для каждого образца. Это позволило оценить число свободных электронов и исследовать рассеяние в наноструктурах.
Выводы. Было показано, что в исследуемом диапазоне энергий в ИК-области спектра наблюдается ленгмюровская экранировка. Рассчитанные значения хорошо соотносятся с экспериментальными данными.

1. Granovsky А., Sukhorukov Yu., Gan’shina E., Telegin A. Magnetorefractive effect in magnetoresistive materials. In: Magnetophotonics: From Theory to Applications. Berlin Heidelberg: Springer; 2013. Р. 107–133. http://doi.org/10.1007/9783-642-35509-7_5

2. Shkurdoda Yu.O., Dekhtyaruk L.V., Basov A.G., Chornous A.M., Shabelnyk Yu.M., Kharchenko A.P., Shabelnyk T.M. The giant magnetoresistance effect in Co/Cu/Co three-layer films. J. Magn. Magn. Mater. 2019;477:88–91. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.01.040

3. Dekhtyaruk L.V., Kharchenko A.P., Klymenko Yu.O., Shkurdoda Yu.O., Shabelnyk Yu.M., Bezdidko O.V., Chornous A.M. Negative and Positive Effect of Giant Magnetoresistance in The Magnetically Ordered Sandwich. In: 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP). 2020. P. 01NMM13-1–01NMM13-3. https://doi.org/10.1109/NAP51477.2020.9309694

4. Kelley C.S., Naughton J., Benson E., Bradley R.C., Lazarov V.K., Thompson S.M., Matthew J.A. Investigating the magnetic field-dependent conductivity in magnetite thin films by modelling the magnetorefractive effect. J. Phys.: Condens. Matter. 2014;26(3):036002. http://doi.org/10.1088/0953-8984/26/3/036002

5. Лысина Е.А., Юрасов А.Н. Магнитооптические эффекты в нанокомпозите CoSiO2. Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике (МНТК ФТИ – 2017). М.: МИРЭА; 2017. C. 622–628.

6. Лобов И.Д., Кириллова М.М., Махнев А.А., Ромашев Л.Н., Королев А.В., Миляев М.А., Проглядо В.В., Банникова Н.С., Устинов В.В. Магнитооптические, оптические и магнитотранспортные свойства сверхрешеток Co/Сu с ультратонкими слоями кобальта. Физика твердого тела. 2017;59(1):54–62. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.01.43950.161

7. Oh J., Humbard L., Humbert V., Sklenar J., Mason N. Angular evolution of thickness-related unidirectional magnetoresistance in Co/Pt multilayers. AIP Advances. 2019;9(4):045016. https://doi.org/10.1063/1.5079894

8. Kawaguchi M., Towa D., Lau Y.-C., Takahashi S., Hayashi M. Anomalous spin Hall magnetoresistance in Pt/Co bilayers. Appl. Phys. Lett. 2018;112(20):202405. https://doi.org/10.1063/1.5021510

9. Heigl M., Wendler R., Haugg S.D., Albrecht M. Magnetic properties of Co/Ni-based multilayers with Pd and Pt insertion layers. J. Appl. Phys. 2020;127(23):233902. https://doi.org/10.1063/5.0010112

10. Повзнер А.А., Волков А.Г., Филанович А.Н. Электронная структура и магнитная восприимчивость почти магнитных металлов (на примере палладия и платины). Физика твердого тела. 2010;52(10):1879–1884.

11. Юрасов А.Н., Телегин A.В, Банникова Н.С., Миляев M.A., Сухоруков Ю.П. Особенности магниторефрактивного эффекта в многослойной металлической наноструктуре [CoFe/Cu]n. Физика твердого тела. 2018;60(2):276–282. https://doi.org/10.21883/FTT.2018.02.45381.201

12. Лобов И.Д., Кириллова М.М., Ромашев Л.Н., Миляев М.А., Устинов В.В. Магниторефрактивный эффект и гигантское магнитосопротивление в сверхрешетках Fe(tx)/Cr. Физика твердого тела. 2009;51(12):2337–2341.

13. Погодаева М.К., Левченко С.В., Драчев В.П., Габитов И.Р. Оптические свойства металлов из первых принципов. Фотон-экспресс. 2021;6(174):294–295. https://doi.org/10.24412/2308-6920-2021-6-294-295

14. Устинов В.В., Сухоруков Ю.П., Миляев М.А., Грановский А.Б., Юрасов А.Н., Ганьшина Е.А., Телегин А.В. Магнитопропускание и магнитоотражение в многослойных наноструктурах FeCr. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2009;135(2):293–300.

15. Jacquet J.C., Valet T. A new magnetooptical effect discovered on magnetic multilayers: The magnetorefractive effect. MRS Online Proceedings Library (OPL). 1995;384:477–490. https://doi.org/10.1557/PROC-384-477

16. Kravets V.G. Correlation between the magnetoresistance, IR magnetoreflectance, and spin-dependent characteristics of multilayer magnetic films. Phys. Res. Int. 2012;2012(5):323279. https://doi.org/10.1155/2012/323279

17. Маевский В.М. Теория магнетооптических эффектов в многослойных системах с произвольной ориентацией намагниченности. Физика металлов и металловедение. 1985;59:213–216.

18. Юрасов А.Н. Магниторефрактивный эффект в наноструктурах. Приборы. 2022;4(262):22–25.