Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Построена теория эффекта переноса спинового момента в проводящих хиральных геликоидальных магнетиках. Показано, что перенос спинового момента в гелимагнетике приводит к вращению спирали намагниченности гелимагнетика вокруг ее оси под действием спинового тока, текущего в гелимагнетике. Найдена частота такого вращения спирали намагниченности, которая выражена через параметры квантового обменного гамильтониана, задающего геликоидальное магнитное упорядочение в проводящем кристалле. Показано, что направление вращения намагниченности гелимагнетика и изменения формы магнитной спирали определяются направлением потока электронов и хиральностью магнетика. Построенная теория принимает во внимание генерацию электромагнитного поля, сопровождающую вращение магнитной спирали под действием протекающего в гелимагнетике электрического тока. В результате проведенного рассмотрения спиновой динамики проводящих хиральных гелимагнетиков, основанного на совместном решении уравнения Блоха-Торри для намагниченности электронов проводимости, уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта для намагниченности локализованных электронов и уравнений Максвелла для электромагнитного поля, установлены следующие закономерности явления переноса спинового момента из спиновой системы электронов проводимости в таковую локализованных электронов. Постоянный во времени поток электронов, движущихся вдоль оси хирального гелимагнетика с дрейфовой скоростью w, индуцирует за счет эффекта переноса спинового момента вращение магнитной спирали гелимагнетика с угловой частотой ω. Знак частоты ω, задающий направление вращения спирали, определяется знаком скалярного произведения волнового вектора спирали и вектора дрейфовой скорости электронов. Величина частоты ω зависит от соотношения параметра затухания Гильберта и параметра, характеризующего эффективность процессов переноса спинового момента. Последний определяется величиной константы обменного взаимодействия электронов проводимости и локализованных электронов. Для гелимагнетиков с предельно малым затуханием Гильберта частота ω с точностью до численного множителя порядка единицы равна произведению волнового числа магнитной спирали гелимагнетика q и дрейфовой скорости w. Все фигурирующие в развитой теории величины выражены через параметры квантового обменного гамильтониана, задающего геликоидальное магнитное упорядочение в проводящем кристалле. Эффект переноса спинового момента приводит к тому, что длина волны магнитной спирали гелимагнетика, вращающейся под действием протекающего спинового тока, всегда несколько меньше таковой неподвижной магнитной спирали. Спиновый ток меняет также конусность магнитного геликоида. Угол, характеризующий конусность, растет с увеличением частоты вращения магнитной спирали. Установлено, что вектор Умова-Пойнтинга, задающий направление распространения энергии электромагнитного поля, генерируемого в хиральном гелимагнетике протекающим электрическим током, направлен вдоль вектора плотности потока электронов проводимости, вне зависимости от хиральности гелимагнетика. Учет генерации электромагнитного поля при расчетах частоты вращения магнитной спирали сводится к эффективному увеличению параметра затухания Гильберта и увеличению предельной частоты вращения спирали. 2. Построена теория для описания электронных транспортных явлений, лежащих в основе спин-орбитроники. Сформулирована система связанных уравнений движения для плотностей заряда и спина электронов проводимости, а также электрического и спинового токов, учитывающая асимметричное («косое») спин-орбитальное рассеяние. Система уравнений дополнена феноменологическими граничными условиями, использованными для описания спин-орбитроники гетероперехода нормальный металл – гелимагнетик. Построена теория инжекции в гелимагнетик чисто-спинового тока, возникающего в нормальном металле как проявление спинового эффекта Холла. Развитая теория показывает, что инжекция чисто спинового тока в проводящий гелимагнетик с магнитной структурой типа «простая спираль» из нормального металла с сильным спин-орбитальным взаимодействием имеет ряд существенных особенностей, связанных с поляризацией спиновой плотности электронов проводимости и спинового тока. Если в немагнитных материалах затухание инжектированного спинового тока характеризуется одним параметром – длиной спиновой диффузии Ls, то в гелимагнетиках затухание спинового тока, инжектированного вдоль оси магнитной спирали, описывается двумя характерными длинами. Первая из них, длина Ld, характеризует масштаб спадания поперечной (относительно оси спирали) компоненты неравновесной намагниченности электронов проводимости, сонаправленной с намагниченностью гелимагнетика. Если период магнитной спирали Lh велик по сравнению с Ls, то длина Ld совпадает с Ls. В гелимагнетиках, в которых период магнитной спирали Lh мал по сравнению с Ls, длина Ld не превышает периода спирали Lh. Вторая характерная длина, Lp, определяет масштаб спадания продольной компоненты неравновесной намагниченности электронов проводимости и продольной поляризации спинового тока. Значение Lp определяется величиной обменного поля, действующего на намагниченность электронов проводимости со стороны локализованных электронов. Основное влияние на спиновую инжекцию на масштабах длины порядка Lp оказывает прецессия намагниченности электронов проводимости в неоднородном обменном поле, создаваемом магнитной спиралью гелимагнетика. В короткопериодных гелимагнетиках с Lh<<Ls существенные изменения поляризации спинового тока происходят на расстояниях Lp, много меньших периода спирали Lh. Величина чисто-спинового тока, инжектированного из металла с сильным спин-орбитальным взаимодействием, непосредственно определяется величиной двух параметров. Первый из них – это отношение времени релаксации импульса электронов проводимости к характерному времени спиновой релаксации, обусловленной «косым» рассеянием электронов. Второй параметр характеризует «прозрачность» границы раздела нормальный металл – гелимагнетик для электронов проводимости. Если инжекция спинового тока в гелимагнетик из нормального металла обусловлена спин-орбитальным взаимодействием, ответственным за генерацию в нормальном металле поперечно-поляризованного спинового тока, текущего вдоль нормали к поверхности раздела, то на границе раздела индуцируется спиновый ток, имеющий компоненту с продольной поляризацией. При этом направление вектора продольной поляризации непосредственно определяется хиральностью гелимагнетика. Предсказанный эффект назван «эффектом хиральной поляризации чисто-спинового тока». Показано также, что тангенциальная компонента поляризации электронов проводимости вращается при инжекции вокруг оси магнитной спирали. 3. Спиновые клапаны с расположенной в нижней части структуры композицией CoFe/Dy/CoFe были изготовлены методом магнетронного напыления. Проведено исследование влияния длительного хранения и термического воздействия на микроструктуру и магнито-транспортные свойства спиновых клапанов, содержащих нанослои диспрозия. Изменение температуры компенсации использовано как индикатор интенсивности диффузионных процессов в обменно-связанной структуре CoFe/Dy/CoFe. Обнаружено, что при уменьшении толщины слоя диспрозия уменьшаются обусловленные диффузией изменения магнитотранспортных свойств. Показано, что даже при малой номинальной толщине (4 нм) слоя диспрозия, по истечении 3 месяцев после напыления в составе наноструктуры содержится чистый Dy, атомы которого не участвуют в сперимагнитном упорядочении интерфейса Dy-Co-Fe.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Дано теоретическое описание нелинейного квантового спинового транспорта в проводящих хиральных гелимагнетиках в условиях проявления эффекта передачи спинового момента. Установлено, что действие неоднородного обменного поля на электроны проводимости со стороны магнитной спирали, образованной спинами локализованных электронов гелимагнетика, приводит к увеличению его электросопротивления (по сравнению с электросопротивлением соответствующей магнитно-однородной системы). Величина квантового спинового вклада в электросопротивление в условиях передачи спинового момента зависит от величины интеграла обменного взаимодействия и от релаксационных характеристик спиновых систем электронов проводимости и локализованных электронов. Если константа затухания Гильберта достаточно велика, то вращение спиновой спирали гелимагнетика под действием протекающего электрического тока предельно затруднено и в первом приближении магнитную спираль можно считать неподвижной. В этом случае величина спинового вклада в электросопротивление определяется только эффективной скоростью релаксации спина электронов проводимости, а величина параметра затухания Гильберта не имеет существенного значения. В случае, когда параметр затухания Гильберта достаточно мал, слабое затухание колебаний магнитной спирали гелимагнетика приводит к тому, что она легко «подстраивается» под движение намагниченности электронов проводимости и поэтому дает тем меньший вклад в электросопротивление, чем меньшее значение имеет параметр затухания Гильберта. При этом величина скорости спинового затухания электронов проводимости не имеет существенного значения. В этих условиях спиновый вклад в электросопротивление прямо пропорционален затуханию Гильберта. Вольт-амперная характеристика гелимагнетика в условиях действия эффекта переноса спинового момента может быть существенно нелинейной. Протекание тока большой плотности вызывает изменение формы спиновой спирали: простая спираль трансформируется в коническую, причем угол конусности растет с увеличением плотности электрического тока, достигая критического значения, при котором спиральное упорядочение спиновых моментов вырождается в коллинеарное. При определенных соотношениях параметров, характеризующих гелимагнетик, возможна ситуация, когда при протекании тока в системе возникает «спиновая электрическая бистабильность» – явление существования в гелимагнетике двух состояний спиновой спирали с различным электросопротивлением при одном и том же значении протекающего в гелимагнетике электрического тока. В условиях существования спиновой электрической бистабильности дифференциальное электросопротивление гелимагнетика может принимать сколь угодно большие отрицательные значения. Эта особенность электрорезистивных свойств гелимагнетиков может представлять интерес для их возможного использования как материалов для приборов и устройств магнитоэлектроники. 2. Теоретически исследована инжекция чисто-спинового тока из металла с сильной спин-орбитальной связью в проводящий гелимагнетик с учетом рассеяния электронов проводимости с переворотом спина на границе раздела. Проведен вывод феноменологических граничных условий к уравнениям движения для спиновой плотности и спинового тока, учитывающих процессы рассеяния электронов проводимости с переворотом спина при их взаимодействии с поверхностью металла или границей раздела металлов. Построена теория хиральной спиновой инжекции электронов проводимости в гелимагнетик из нормального металла с сильным спин-орбитальным взаимодействием, учитывающей наличие процессов переворота спина на интерфейсе «нормальный металл-гелимагнетик». Рассчитаны пространственные профили неравновесной спиновой плотности и чисто-спинового тока, инжектированных в гелимагнетик, при произвольной величине вероятности переворота спина на границе раздела. Показано, что в случае, когда граница раздела имеет высокую «прозрачность», важно лишь само наличие процессов интерфейсного рассеяния электронов проводимости с переворотом спина, а влияют ли эти процессы на вероятность прохождения или на вероятность отражения, оказывается не столь существенным. 3. Построена теория размерных эффектов в магнитосопротивлении тонких плёнок нормальных металлов, возникающих из-за наличия сильного спин-орбитального взаимодействия. Теория учитывает рассеяние электронов проводимости с переворотом спина на поверхностях плёнки. Показано, что спин-орбитальное взаимодействие приводит к увеличению плотности электрического тока вблизи границ плёнки по сравнению со значением плотности тока в её глубине. Продемонстрировано, что поверхностное рассеяние с переворотом спина, как и приложенное внешнее магнитное поле, приводит к подавлению аккумуляции спинового момента электронов вблизи поверхностей плёнки и, тем самым, к уменьшению магнитосопротивления. Экспериментальные исследования размерных эффектов в магнитосопротивлении проведены на тонких плёнках β тантала, полученных методом магнетронного распыления. Обнаружено возникновение положительного продольного магнитосопротивления в плёнках β-тантала в интервале толщин 3÷11нм. Экспериментальные данные проанализированы с помощью построенной теории. В результате получены численные данные об изменении с толщиной плёнки тантала длины спиновой диффузии и времени спиновой релаксации, проведены оценки величины спинового угла Холла для β-тантала. Минимальное значение абсолютной величины спинового угла Холла для β-тантала, при котором могут быть описаны полученные экспериментальные данные, составляет 0.016. Продемонстрировано, что для корректного извлечения из экспериментальных данных по магнитосопротивлению численного значения спинового угла Холла необходимо учитывать поверхностное рассеяние с переворотом спина. 4. Изучены магнитные и магнитотранспортные свойства наноструктур Ta/Dy/Ta. Показано, что ниже температуры перехода «парамагнетик-антиферромагнетик» слой диспрозия толщиной 6 нм имеет нескомпенсированный магнитный момент, лежащий в плоскости плёнки. В наноструктуре Ta(4nm)/Dy(2nm)/Ta(4nm), в которой толщина слоя диспрозия меньше периода спиральной структуры в объёме Dy, переход от парамагнитной структуры к спиральной (даже искажённой) не происходит. При изменении толщины слоя диспрозия и температуры происходит перераспределение токов в слоях наноструктуры и соответствующие изменения характера и знака магниторезистивного эффекта. Изменение магнитосопротивления наноструктуры является результатом конкуренции двух эффектов, имеющих разные знаки и разную природу. В слое диспрозия наблюдалось отрицательное магнитосопротивление, что связано с уменьшением рассеяния электронов проводимости при магнитном упорядочении. В слоях тантала обнаружено положительное продольное магнитосопротивление, вызванное изменением условий рассеяния электронов проводимости при накоплении электронов с противоположными спинами на противоположных поверхностях металлической плёнки с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Наиболее интересным результатом представляется обнаружение положительного продольного магнитосопротивления в наноструктуре Ta/Dy/Ta. Наличие положительного продольного магнитосопротивления означает, что электроны с противоположными спинами накапливаются вблизи противоположных границ раздела Ta/Dy и Dy/Ta, что может вызывать процесс спиновой диффузии вдоль нормали к плёнке, сопровождаемый взаимодействием спинового тока с геликоидально упорядоченными магнитными моментами в диспрозии.