Vaihtobias (tai: vaihtoanisotropia , vaihtovuorovaikutuksen anisotropia , yksisuuntainen vaihtoanisotropia ) on magneettisten materiaalien magnetisoinnin käänteisen hystereesisilmukoiden ominaisuus, joka ilmenee silmukan epäsymmetrisessä sijainnissa suhteessa y- akseliin . Sitä havaitaan kerroksellisissa ja nanorakenteisissa magneettisissa materiaaleissa, jotka sisältävät magneettisesti pehmeän ferromagneettisen ja erittäin anisotrooppisen antiferromagneettisen faasin .
Hystereesisilmukan siirtyminen kerroksellisissa materiaaleissa selittyy tavallisesti sillä, että magneettisesti pehmeään komponenttiin vaikuttaa yksi antiferromagneettisen komponentin magneettisista alihiloista. Tätä vaikutusta kutsutaan vaihtobiasiksi tai pinnoksiksi.
Meiklejohn ja Bean löysivät vuonna 1956 vaihtobias-ilmiön, joka tunnetaan myös nimellä yksisuuntainen anisotropia, tutkiessaan antiferromagneettiseen oksidiin CoO [1] [2] [3] upotettuja kobolttihiukkasia . Alusta alkaen pääteltiin, että hystereesisilmukan siirtyminen johtuu kobolttihiukkasia ympäröivän oksidikerroksen läsnäolosta. Tämä tarkoitti, että niiden yhteisen rajapinnan kautta tapahtuvalla magneettisella vuorovaikutuksella oli ratkaiseva merkitys efektin luomisessa. Sen jälkeen kun se tunnistettiin yksinomaan rajapintailmiöksi, sitä alettiin tutkia pääasiassa ohuilla kalvoilla, jotka koostuivat kosketuksissa olevista ferromagneettisista (FM) ja antiferromagneettisista (AFM) kerroksista. Tällä hetkellä litografisesti valmistettuja rakenteita sekä ferromagneettisia ja antiferromagneettisia hiukkasia tutkitaan kuitenkin jälleen aktiivisesti.
Ensimmäinen ja yksinkertaisin malli vaikutuksen selittämiseen oli Meiklejohnin ja Beanin [2] ehdottama teoria . Työssään he tutkivat yhden alueen pallomaisia kobolttihiukkasia, jotka on päällystetty antiferromagneettisella CoO:lla. Näillä hiukkasilla oli yksiakselinen anisotropia, ja niiden helppo magnetointiakseli (EAA) oli kohdistettu yhdensuuntaisesti käytetyn magneettikentän kanssa. He olettivat, että antiferromagneetin spin-konfiguraatio rajapinnassa on täysin kompensoimaton ja pysyy linjassa sen EMA:ta pitkin AFM:n merkittävän anisotropian ja antiferromagneetin ja ferromagneetin välisen heikomman vaihtokytkennän vuoksi. Tällainen vaihtobias-mekanismi johtaa hystereesisilmukan siirtymiseen H ex -määrällä , joka on kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin hienorakeisissa monikiteisissä kalvoissa havaitut arvot, vaikka tämä teoria kuvaa muita järjestelmiä melko hyvin.
Kronologisesti toinen malli, joka selittää vaihtoharhavaikutuksen, on Neelin teoria [4] . Néel ehdotti mallia kompensoimattomasta AFM-spin rakenteesta rajapinnassa. Hän kuitenkin huomautti, että tämä spin-rakenne on alttiina muodonmuutokselle ja käy läpi peruuttamattomia muutoksia FM-kerroksen magnetoinnin pyöriessä. Näin ollen vaihtobias-kenttä Hex ja koersitiivivoima Hc määräytyvät AFM:n muutoksista ferromagneettisen kerroksen magnetoinnin käänteessä . Hänen teoriansa mukaan H c :llä on kaksi vaikutusta: sisäinen ferromagneettinen komponentti ja termi, joka on verrannollinen AFM:n magnetisoinnin peruuttamattomiin muutoksiin. Neel katsoi myös, että todellisissa karkeissa rajapinnoissa antiferromagneetin molemmat osahilat tulisi esittää rajapinta-alueella, mikä johtaa AFM-momenttien osittaiseen kompensointiin. Monikiteisten AFM:ien tapauksessa spinien lukumäärällä kunkin antiferromagneettijyvän rajapinnassa voi olla tilastollinen jakauma, mikä johtaa vaihteluihin kunkin AFM-jyeen momenteissa. Tämä teoria ei myöskään sovellu H ex :n arvojen laskemiseen .
Menestynein teoria vaihtoharhasta voidaan pitää Fulcomerin ja Carapin mallia [5] [6] . Tiedemiehet suorittivat sekä kokeellisia että teoreettisia tutkimuksia permalloykalvojen vaihtopoikkeamasta, jossa nikkeli hapettui vähitellen happohöyrykäsittelyn aikana, jolloin kalvon pinnalle muodostui eristettyjä APM-rakeita. He havaitsivat progressiivisia muutoksia tällaisissa järjestelmissä, mikä liittyi sekä raekoon kasvuun että AFM-materiaalin raemäärän kasvuun. Stoner–Wohlfarth-järjestelmän kaltaiseen rakeiden pyörimismalliin perustuva kvantitatiivinen mallinnus on hyvin sopusoinnussa kokeellisten havaintojen kanssa. Erityisesti Falcomer ja Carap ennustivat, että vaihtokenttä, joka vaikuttaa AFM:ään ferromagneetilla, voisi johtaa termisesti aktivoituihin muutoksiin AFM-alihilojen orientaatiossa, mikä puolestaan johtaa muutokseen H ex :n arvossa . Tämän teorian tärkeä piirre on, että tarkasteltiin tapauksia, joissa AFM-rakeiden koko ja muoto vaihtelivat suuresti. Siten anisotropia ja vaihtokytkentäenergiat vaihtelivat laajalla alueella. Raekokojakauma otettiin siten, että kaikki arvot olivat yhtä todennäköisiä tiettyyn maksimiin asti, eikä suurempia jyviä ollut. He pitivät tärkeänä ottaa huomioon raekokojakauma, mutta jakauman muoto ei ollut kriittinen. Tämä malli pystyi ennustamaan H ex :n ja H c :n lämpötilariippuvuudet laajalla lämpötila-alueella, mukaan lukien Néelin lämpötilan yläpuolella olevat alueet, kuten julkaisussa [7] on raportoitu . Yleisesti ottaen tästä teoriasta on tullut perusta muille rakeiden (jyvien) malleille, jotka perustuvat lämpövaihteluiden vaikutuksiin.
Nykyaikaisempia teorioita magneettisen vaihdon biasista ovat mm. Maurin [8] , Malozemovin [9] , Stilesin ja McMichaelin [10] , Stampsin [11] , Novakin [12] ja muiden mallit. O'Grady ehdotti vaihtoharhaa vuonna 2009 [13] .
Vaikka vaihdon bias-ilmiö havaittiin 1900-luvun puolivälissä, ei ole vielä olemassa lopullista teoriaa, joka selittäisi hystereesisilmukan siirtymisen ( H ex ) ja pakkovoiman ( H c ) (määritelty puolikkaaksi) arvon lisääntymisen. silmukan leveys). Yksi syy siihen, miksi selkeää ja kattavaa teoriaa ei ole kehitetty, on se, että tähän mennessä tutkittujen yksilöiden valikoima on hyvin monipuolinen. Tällaisia näytteitä ovat nanopartikkelit, joissa AFM/FM-rajapinta ei tietenkään ole tasainen [14] , epitaksiaalisesti kasvatetut kalvot [15] , joissa rajapinta on lähes täysin tasainen, ja kerrostetut monikiteiset kalvot [16] , joissa rajapinnalla on merkittävää karheutta, joka voi johtaa sekä rakenteellisiin että magneettisiin häiriöihin. On mielenkiintoista huomata, että suurin vaihtopoikkeama huoneenlämpötilassa havaitaan sputteroiduissa monikiteisissä (rakeisissa) kalvoissa, ja juuri näitä materiaaleja käytetään sovelluksissa laitteissa, kuten magneettisissa tallennuspäissä ja MRAM-sovelluksissa.