Engineering of magnetic properties using ultrathin metallic structures prepared by Molecular Beam Epitaxy

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Abstract

The interface magnetic energy in fcc Cu/Co/Cu(001) and Pd/Co/Pd(001) and the interlayer exchange coupling in bcc Fe/Cu/Fe(001) will be discussed and compared to recent theoretical models. The effect of interface magnetostriction and interface magnetic anisotropy will be described using a model proposed by Victora and MacClaren. The Victora-MacLaren theory of magnetic anisotropies is based on a generalized Néel pair interaction model that allows one to express the total interface energy in terms of the interface anisotropy and interface magnetoelastic contributions. It will be argued that the change in the sign of the interface anisotropy Ks as a result of replacing Cu atoms by Pd atoms is caused primarily by the enhanced role of the spin-orbit interaction in the Co-Pd pair interaction and in the tendency of Pd to acquire a significant magnetic moment in the proximity of ferromagnetic atoms. It will be shown that the interface lattice separations play an important role and the balance between these two magnetoelastic terms determines the total magnetoelastic contribution to the interface energy. The magnetoelastic interface contributions to Ks are +0.08 ergs/cm2 and +0.17 ergs/cm2 for the fcc Cu/Co/Cu(001) and Pd/Co/Pd(001) structures, respectively. The interlayer exchange coupling has been investigated in bcc trilayer structures Fe/Cu/XcCu1 - c/Cu/Fe where XcCu1 - c represents an alloyed atomic layer with X = Fe, Cr, Ag. The purpose of these studies was to determine the effect of foreign atoms inside a nonmagnetic spacer on the direct interlayer exchange coupling between the outside Fe layers mediated by the valence electrons of the Cu spacer. The experimental results will be compared with recent first principles calculations using the Layer Korringa-Kohn-Rostoker (LKKR) method. It will be shown that the local electron potential of the foreign atoms affects the spin transport across the spacer and is chiefly responsible for the observed behavior of the interlayer exchange coupling in Fe/Cu/XcCu1 - c/Cu/Fe. The interlayer e cxchange coupling depends very strongly on the magnetic state of the foreign atoms within the spacer. For foreign atoms with no long-range ferromagnetic order the exchange coupling is mainly affected by the 3d valence band electrons. Foreign atoms that are isoelectronic with the spacer atoms modify the strength of the exchange coupling only due to lattice relaxations that are associated with their atomic size.

On discute de l'énergie magnétique interfaciale dans le Cu/Co/Cu(001) et le Pd/Co/Pd(001) ainsi que le couplage d'échange intercouche dans le Fe/Cu(Fe(001) et on les compare aux valeurs obtenues à l'aide de modèles théoriques récents. On décrit l'effet de la magnétostriction interfaciale et de l'anisotropie magnétique interfaciale à l'aide d'un modèle proposé par Victora et MacClaren. La théorie des anisotropies magnétiques de Victora-MacClaren est basée sur un modèle généralisée de l'interaction de paires de Néel qui permet d'exprimer l'énergie interfaciale totale en termes de l'anisotropie interfaciale et de contributions magnétolastiques interfaciales. On suggère que le changement de signe de l'anisotropie d'interface Ks, qui accompagne le remplacement d'atomes de Cu par des atomes de Pd, est provoqué principalement par une augmentation du rôle de l'interaction spin-orbite dans l'interaction de la paire Co-Pd et par la tendance du Pd d'acquérir un moment magnétique significatif lorsqu'ils sont à proximité d'atomes ferromagnétiques. On démontre que les séparations dans l'interface du réseau jouent un rôle important et que la balance entre ces deux termes magnétolastiques détermine la contribution magnétolastique totale à l'énergie interfaciale. Les contributions magnétolastiques interfaciales à la valeur Ks sont de +0,08 ergs/cm2 et +0,17 ergs/cm2 respectivement pour les structures de Cu/Co/Cu(001) et Pd/Co/Pd(001). On a étudié le couplage d'échange intercouche dans les structures à trois couches Fe/Cu/XcCu1 - cCu/Fe dans lesquelles XcCu1 - c correspond à une couche atomique d'alliage avec X = Fe, Cr et Ag. Le but de ces études était de déterminer l'effet d'atomes étrangers dans un espaceur non magnétique sur couplage d'échange intercouche direct entre des couches de Fe extérieures facilité par les électrons de valence du Cu intercalé. On compare les résultats expérimentaux avec des calculs récents basés sur des principes fondamentaux en utilisant la méthode de la couche de Korringa-Kohn-Rostoker (LKKR). On démontre que le potentiel de l'électron local des atomes étrangers affecte le transport de spin à travers l'atome intercalé et qu'il est le principal responsable du comportement observé pour le couplage d'échange intercouche dans le Fe/Cu/XcCu1 - cCu/Fe. Le couplage d'échange intercouche dépend très fortement de l'état magnétique des atomes étrangers présents dans l'espaceur. Pour des atomes étrangers ne possédant pas d'ordre ferromagnétique à longue distance, le couplage s'effectue principalement par les électrons de la bande de valence 3d. Les atomes étrangers qui sont isoélectroniques avec les atomes intercalés ne modifient la force du couplage d'échange que par des relaxations du réseau associées à leur taille atomique.

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