Utbytesbias (eller: utbytesanisotropi , anisotropi av utbytesinteraktion , enkelriktad utbytesanisotropi ) är ett särdrag i hysteresloopar för magnetiseringsomkastning av magnetiska material, manifesterad i den asymmetriska platsen för slingan i förhållande till y- axeln . Det observeras i skiktade och nanostrukturerade magnetiska material som innehåller en magnetiskt mjuk ferromagnetisk och mycket anisotrop antiferromagnetisk fas .
Förskjutningen av hysteresloopen i skiktade material förklaras vanligtvis av det faktum att den magnetiskt mjuka komponenten påverkas av ett av de magnetiska subgittren hos den antiferromagnetiska komponenten. Denna effekt kallas utbytesbias eller pinning.
Utbytesbiaseffekten, även känd som enkelriktad anisotropi, upptäcktes 1956 av Meiklejohn och Bean när de studerade koboltpartiklar inbäddade i den antiferromagnetiska oxiden CoO [1] [2] [3] . Redan från början drogs slutsatsen att förskjutningen av hysteresloopen orsakas av närvaron av ett oxidskikt som omger koboltpartiklarna. Detta innebar att den magnetiska interaktionen genom deras gemensamma gränssnitt var av avgörande betydelse för att skapa effekten. Efter att det erkänts som ett uteslutande gränssnittsfenomen, började utbytesförspänningen undersökas huvudsakligen på tunna filmer bestående av kontakt mellan ferromagnetiska (FM) och antiferromagnetiska (AFM) skikt. För närvarande studeras emellertid litografiskt preparerade strukturer, såväl som ferromagnetiska och antiferromagnetiska partiklar, aktivt igen.
Den första och enklaste modellen för att förklara effekten var teorin som föreslogs av Meiklejohn och Bean [2] . I sitt arbete undersökte de endomän sfäriska koboltpartiklar belagda med antiferromagnetisk CoO. Dessa partiklar hade enaxlig anisotropi, och deras lätta magnetiseringsaxel (EAA) var inriktad parallellt med det applicerade magnetfältet. De antog att spin-konfigurationen av antiferromagneten vid gränssnittet är helt okompenserad och förblir inriktad längs dess EMA på grund av den betydande anisotropin hos AFM och den svagare utbyteskopplingen mellan antiferromagneten och ferromagneten. En sådan utbytesförspänningsmekanism leder till en förskjutning av hysteresloopen med en mängd Hex , vilket är två storleksordningar högre än värdena som observeras i finkorniga polykristallina filmer, även om denna teori beskriver andra system ganska bra.
Kronologiskt är den andra modellen som förklarar utbytesbiaseffekten Neels teori [4] . Néel föreslog en modell av en okompenserad AFM-spinstruktur vid gränssnittet. Han påpekade dock att denna spinnstruktur är föremål för deformation och genomgår irreversibla förändringar under rotationen av magnetiseringen av FM-lagret. Följaktligen bestäms utbytesförspänningsfältet Hex och koercitivkraften Hc av ändringar i AFM under magnetiseringsomkastningen av det ferromagnetiska skiktet. Enligt hans teori har H c två bidrag: en intern ferromagnetisk komponent och en term som kommer att vara proportionell mot irreversibla förändringar i magnetiseringen i AFM. Neel ansåg också att för riktiga grova gränssnitt borde båda subgitter av antiferromagneten presenteras i gränssnittsområdet, vilket leder till partiell kompensation av AFM-moment. I fallet med polykristallina AFM kan antalet snurr vid gränssnittet av varje antiferromagnetkorn ha en statistisk fördelning, vilket leder till fluktuationer i momenten för varje AFM-korn. Denna teori är inte heller lämplig för att beräkna värdena för H ex .
Den mest framgångsrika teorin om utbytesbias kan betraktas som modellen av Fulcomer och Carap [5] [6] . Forskarna genomförde både experimentella och teoretiska studier av utbytesbias i permalloyfilmer, där nickel gradvis oxiderades under behandling med syraånga med bildning av isolerade APM-korn på filmytan. De observerade progressiva förändringar i utbytesbias i sådana system, associerade både med en ökning av kornstorleken och med en ökning av antalet korn av AFM-materialet. Kvantitativ modellering baserad på en modell för granulrotation som liknar Stoner–Wohlfarth-systemet stämmer väl överens med experimentella observationer. Speciellt förutspådde Falcomer och Carap att ett växlingsfält som verkar på en AFM av en ferromagnet skulle kunna leda till termiskt aktiverade förändringar i orienteringen av AFM-undergittren, vilket i sin tur leder till en förändring i värdet på Hex . Ett viktigt inslag i denna teori är att fall med stor spridning i storlek och form av AFM-korn övervägdes. Således varierade anisotropin och utbyteskopplingsenergierna över ett brett område. Kornstorleksfördelningen togs så att alla värden var lika sannolika upp till ett visst maximum, och det fanns inga större korn. De fann det viktigt att ta hänsyn till kornstorleksfördelningen, men formen på fördelningen var inte kritisk. Denna modell kunde förutsäga temperaturberoendena för Hex och Hc över ett brett temperaturområde, inklusive regioner över Néel-temperaturen, som rapporterats i [7] . I allmänhet har denna teori blivit grunden för andra modeller av granulat (korn) baserade på effekterna av termiska fluktuationer.
Mer moderna teorier om magnetisk utbytesbias inkluderar modellerna av Mauri [8] , Malozemov [9] , Stiles och McMichael [10] , Stamps [11] , Novak [12] och andra. En av teorierna om temperaturbeteendet hos utbytesbias föreslogs av O'Grady 2009 [13] .
Även om utbytesbiaseffekten upptäcktes i mitten av 1900-talet, finns det fortfarande ingen definitiv teori som skulle kunna förklara förskjutningen av hysteresloopen ( Hex ) och det ökade värdet av koercitivkraften ( Hc ) (definierad som hälften öglans bredd). En av anledningarna till att en tydlig och heltäckande teori inte har utvecklats är att utbudet av exemplar som studerats hittills är mycket varierande. Sådana prover inkluderar nanopartiklar, där AFM/FM-gränssnittet uppenbarligen inte är platt [14] , epitaxiellt odlade filmer [15] , där gränssnittet är nästan perfekt platt, och avsatta polykristallina filmer [16] , där gränssnittet har en betydande grovhet, vilket kan leda till både strukturell och magnetisk störning. Det är intressant att notera att den största utbytesförspänningen vid rumstemperatur observeras i sputtrade polykristallina (granulära) filmer, och det är dessa material som används för applikationer i enheter som magnetiska inspelningshuvuden och MRAM-applikationer.