О примесном магнетизме. Магнитные материалы для спинтроники К числу основных свойств материалов для спинтроники следует отнести наличие макромагнетизма с достаточно высокой температурой Кюри (предполагается, что спины электронов должны взаимодействовать с внутренним магнитным полем среды) и по возможности сохранение достаточно высокой подвижности носителей. Достаточно очевидно, что создание магнитной подсистемы в полупроводниковой матрице путем её легирования магнитными примесями должно вести к потере собственно полупроводниковых свойств из-за появления значительного количества рассеивающих носители центров.

Таким образом, получение примесных полумагнетиков должно быть связано с умеренной степенью легирования материала. При этом следует предполагать, что примесь по кристаллу распределена статистически равномерно. Это означает, что должны образовываться области пространства с различными локальными концентрациями.

Макроскопические магнитные свойства возникают при существовании обменного взаимодействия. Нелишне напомнить, что величина его параметра – обменного интеграла – зависит от расстояния приблизительно экспоненциально. Следовательно, статистическое распределение примеси должно вести к появлению областей, характеризуемых различными значениями обменного интеграла.

Фактически это означает появление областей с различными видами магнитного упорядочивания спинов примеси: суперпарамагнитные кластеры, области типа спинового стекла, а при значительных по размеру областях и появление обычных форм упорядочивания, например ферромагнетиков.

Стандартно свойства магнетиков изучаются в их равновесом состоянии, с использованием динамических методов типа магнитного резонанса или исследования релаксационных процессов, определяющих быстродействие установления макроскопической намагниченности. В случае примесных магнетиков следует ожидать различных реакций на воздействие магнитного поля. Некоторые характерные величины, определяющие их возможности. Характерные времена релаксации парамагнетиков при комнатной температуре могут составлять 10^-8сек и менее в случае орбитального вырождения основного состояния магнитных центров. Орбитально невырожденные состояния примесей, соответствующие электронным конфигурациям d⁵ или f⁷, характеризуются при тех же условиях временами < 10^-6сек.

Опыт показывает, что в кристаллах арсенида галлия сильно легированных марганцем и железом, при использовании метода ЭПР, наблюдаются флуктуации намагниченности (Т ~ 300К) порой превышающие по величине собственно сигнал парамагнитного поглощения со значением g – фактора характерным для невырожденных состояний (при Т ~ 80К). Подобные флуктуации могут быть объяснены только приближением времени релаксации отдельного центра к периоду волны СВЧ. Физика подобных процессов может определять не только магнитные явления, но проявляется, например, в формировании спектров лазерного излучения.

Нелишне вспомнить отклик на внешнее магнитное поле сверхпроводящей фазы в высокотемпературных сверхпроводниках. В этом случае помимо стационарного поглощения высокочастотной мощности практически в нулевом магнитном поле появляются флуктуации после увеличения поля до возникновения одного или нескольких квантов магнитного потока и дальнейшем уменьшении поля до нуля.

Ограниченность использования резонансных методов при исследовании подобных явлений заключается во взаимодействии среды с квантами фиксированной величины и в регистрации участка спектра флуктуаций, близких к значению величины кванта.

Реакция обычного упорядоченного магнетика на нестационарные магнитные поля изучена сравнительно полно и характеризуется определенным ограниченным набором времен релаксации. Неупорядоченные магнетики содержат магнитные образования различной природы – суперпарамагнитные кластеры или состояния типа спинового стекла.

Сильный диамагнетик – сверхпроводник при соответствующих температурах – обладает неоднородностями, определяющими появление мезоскопической структуры. Эти обстоятельства позволяют допустить, что даже в магнетике с примесной природой магнетизма (не говоря о состояниях типа спинового стекла) должен существовать разброс времен релаксации, связанный со статистическим распределением суперпарамагнитных кластеров по размеру и распределению концентрации магнитных центров.

Таким образом, представляется интересным рассмотреть реакцию магнитно-упорядоченной среды на воздействие нестационарных магнитных полей. Не исключено, что исследование нестационарных откликов поможет при исследованиях магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников.