Особенности макроскопической квантовой когерентности и туннелирования спинов в антиферро- и слабоферромагнитных наночастицах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФПЗИЙО-ТЕГШЙЧЕСКМЙ ИНСТИТУТ

РГ 5

од

С 3 1

•НО

На ярззая рухожки

ГОЛЫШЕЙ Владаяшр Юрьсвап

ОСОБЕННОСТИ макроскопической гшайтовой КОГЕРЕНТНОСТИ И тзгннелйрованйй спинов в антиферро- И

слабоферромаЫитных наночастицах

Специальность 01.04.04 - физическая электропила

Автореферат диссертации ¡га сопсканпз ученой стевеял кяццвдзта фпзяяо-матсматичесгтх наук

Москва 1996.

Работа выполнена в Московском Физико-Техиическом Институте.

Нсучний руководитель:

.' диггер фшико-матемагнческнх наук, Попков А.Ф. ГосНИИ ФП).

Официальные оппоненты;

доктор физико-математических наук, Попов А И- (МИЭТ),

доктор физико-ыатематичшшх наук, ' Молотков С.Н. (ИФТГ РАН).

Всдушая организации: Физический Нпоппут Российской Акдцдши Нгук.

Защита состоится " ЧС/^ааЛ' 199 & г. и чаг и'лн в ауд*$2£ на заседании диссе;жшно7пюга совета Д.063.91.03 Мсс1;опе,>«>го Фтнко-Техническою Инстотуга по адресу: ¡41703, Московская оба., г Долгопрудный, Иисппугсний'пер., 9, МФТИ.

С .диссертацией ыэзосо ознакомиться в библиотек? ИДоокопгкоур Физико-Техл1!чгсыото Института.

Автореферат разослан " ^ 1')9 С г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д.063.91.03 РА-Скорик

© Московский Фнзкко-Техиический Институт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию процессов макроскопической квантовой когерентности (МКК) и туннелнровшшя (MKT) спмпоп п малых одподомепных антпфсрромагнптных и слаОоферромипштных частицах при учете влияния внешних и инуфспних факторов: постоянное иапштипс ноле, переменное магнитное поле, температура, днеенпативное окружение (фононы, магноны, ядерные сшшы и • др.).

Актуальность темы.

Бурное развитие микроэлектроники и компьютерной техники в последние годы идет но пути уменьшения размеров и повышения быстродействия логических'элементов, осуществляющих храпение, обработку н передачу цифровой информации. Поэтому повышенный интерес исследователем направлен на возможность применения для этих целен наноразмерных магнитных материалов (изолированных однодоменных частиц, пленок и т.д.). Уменьшение характерных размеров магпнтоупорядоченпых кристаллов и пленок до манометрового диапазона приводит к существенному возрастанию роли мезоскопнческнх явлений п их физических свойствах. Особенно это касается макроскопических проявлений квантовых свойств спинов при низких температурах (меньше темпершуры "кроссовера") в частицах, содержащих 10'-К)7 элементарных сшшоп вещества. В таких частицах величина энергетического барьера, удерживающего намагниченность в равновесном состоянии, начинает приближаться к величине кпанга нулевых колебаний, превосходя ее не более чем на порядок величины. Теоретическим исследованиям процессов макроскопических спин-ориеиташюнпых квантовых явлении и малых частицах сильноанизотропных ферро- и антиферромагнетиков в зависимости от магнитных параметров вещества (обменное взаимодействие, магнитная анизотропия), величины и ориентации внешнего магнитного поля, степени взаимодействия спинов с днссипатнвиым окружением в последние годы уделяется особенно большое внимание. Эго связано, в свою очередь, и с проводящимися интенсивными экспериментальными исследованиями процессов. MKT, а также возможностью создания на их основе наноразмерных быстродействующих устройств хранения и обработки цифровой информации, вплоть до создания элементной базы квантового (Фейнмановского) компьютера. Процессы квантового тунпелнроилння могут трать для таких устройств как положительную роль, когда сам принцип туннелирования положен в основу работы такого логического элемента, а также и от]) и нательную, т.к. при храпении цифровой информации за счет 1уннслироваиня может произойти ее потеря.

Аптпферромагнетикн являются весьма перспективными материалами при создании и исследовании квантопых цифровых цепей на базе мезоскопнческнх спиновых пнтпферромагнитных частиц и пленок, чго обусловлено высоким значением скорости туннелировапия но сравнению с другими мапнпными частицами, а также возможностью интерференционного подавления туннелировапия магнитным полем. Последнее очень важно для управления процессом туннелировапия и частице. При одном значении поля

осуществляется хранение, информации (туниелирование запрещено), а при другом происходит ее передача за счет туинелирования. Температурный нитерсал, где могут наблюдаться указанные квантовые эффекты, обусловлен температурой "кроссовера", которая равна 1 +10'к в данном случае и позволяет вести экспериментальные исследования, используя гелиевый крностат.

Важной задачей теории М КТ спиков является учет шшяння окружающей среды. Взаимодействие макроскопического спила с окружением увеличивает действие н приводит к снижению частоты туинелирования. Такой механизм слияния окружения на туиналкрованне макроскопической переменной может приводить не только к разрушению когерентно связанного состояния, но и к диссипатнЕному механизму замораживания MKT в зависимости от динамических свойств среды -окружения и температуры. Также весьма интересной проблемой является влияние диссипативного кружение на эффегсга иитерферснини инстаитоков.

Динамические Характеристики спинов в антиферромагнитных малых частицах, как то комплексная динамическая восприимчивость и вероятность туинелирования в импульсном магнитном поле, представляют интерес для экспериментального исследования процессов МКК резонансными методами. Эффект переключения спиновой поляризации весьма важен для создания импульсных переключающих устройств на основе наноразмериых магнитных частиц.

К моменту начала диссертационной работы оставались неясным» целый ряд вопросов: зависимость частоты туннелированнп в антиферромагнитной и слабоферромагнитной малой частице от постоянного магнитного поля; воздействие дисеипативной среды о;:ру;:хния на процессы интерференции амплитуд туннелирсвашш. Также не была рассчитана динамическая восприимчивость слабоферромагнитной частицы -и не изучались эффекта квантового туинелирования в переменном (импульсном) магнитом поле.

Все вышесказанное определяет основную цель диссертационной работы:

1. Расчитать зависимость энергетического расщепления основного состояния (частоты туннелирования) в аитиферромагшшюй и

2. слабсферромагнткой наночастице от магнитных параметров вещества и от величины и ориентации внешнего магнитного пол;;.

3. Получить 'динамическую зависимость сохранения ¡¡сходного лоляризо;ашюго состояния со аремснем для шгннтяой частицы, взаимодействующей с диссипативиьш окружением и при учете топологический интерференционных зффгктоз, возникающих при туннелироЕЗшш макроскопической спиновой переменной.

4. Рассчитать динамическую восприимчивость и вероятность тунислироЕант в импульсном поле для слабоферромапштной частишл.

5. Предложить логический элемент для создания кьгдггоаого копыогера на основе наноразмерных магнитных частиц.

В диссертационной работе получены следующие новые результаты: 1. Рассчитана ВКБ экспоне1гга туннельного расщепления \ = Аехр{~И) для антиферромагнитной частицы в магнитном поле (туннельная экспонента в отсутствие магнитного поля была получена Барбара и Чудновским). Наличие

магнитного поля приводит не только к изменению высоты туннельного барьера, но и к интерференции амплитуд перехода вдоль нескольких топологически альтернативных траекторий, когда частица находится в пеколлинеарпом состоянии слома подрсшсток (угловая антиферромапштная фаза). Независимо or работы Дуана и Гарга предсказано интерференционное подавление туннелирования D угловой аитиферромагнитной фазе. Отличительными особенностями представленных в диссертационной работе результатов являются: - приводится полное выражение для энергетического расщепления основного состояния а нтиферро магнитной Частицы в магнитном ноле с учетом флуктуационного вклада d префактор А (п других работах выражение для префактора л либо не рассчитывалось вовсе, либо приводилась грубая оценка);

- Исследован случай коллинеарной фазы антиферромагнетика э магнитном поле; . -

- результаты работы справедливы и широкой области магнитных полей вплоть до поля spin-flip перехода ht (в работе Дуана и Гарга результаты получены в области малых магнитных полей).

2. Ра'считзна скорость туниситирования (энергетическое растепление основного состояния) слабофсрромагнитаой частицы в магнитно».] поле с учетом флуктуационнсго вклада. Разбирается три случая, когда магнитное поле направлено по одной из трех осей кристаллографической системы' координат.

3. Рассмотрена динамика спинового туннедирования с учетом диссипапшного взаимодействия со средой окружения. Ранее учет' влияния дисснпативного окружения на MKT спинов в магнитных наночастицах сводился к расчету диссипативнсй поправки к энергетическому растеплению или, другими словами, к расчету перенормировки энергетического барьера туннелнрозання на основе модели Калдейры-Леггетта. Динамика же туннелирования макроскопической переменной (поведение вероятности сохранения исходного поляризованного состояния со временем) в диссйпатипиой среде окружения изучалась только для немагнитных систем в упрошенной модели "двух состояний" Леггстгом, Чакраварти, Дорсеем, Фишером, Гаргом и Звсргером, причем при- расчетах не принимались во внимание топологические особенности, свойственные магнитным системам, приводящие к. интерференции амплитуд туннелирования по топологически альтернативным траекториям макроскопической переменной. В данной работе рассчитывается вероятность сохранения исходного поляризованного состояния магнитной ианочаепшы,'взаимодействующей с диссипативным окружением и при учете топологических интерференционных эффектов на основе техники функционалов влияния Фейнмана-Вернона.

4. Расчитана динамическая восприимчивость слабоферромаппптюй частицы н вероятность туннелирования в импульсном поле.

Представленные результаты теоретического исследования скорости н динамики туннелирования в диссипативной среде для магнитных наночаепш представляют интерес при проведении экспериментального изучения процессов MKT в больших магнитных полях для слабых ферромагнетиков, где возникает эффект полевой интерференции инстантонов, приводящий к осцилляции

скорости тувиелиросання -по штиноиу полю. Подобиие исследования ранге ne проводились, т.к. счтолосъ, что магнитное поле препятствует туинелнройашш и уменьшает его скорость. В дейсгагталыюсти к сяабоферромягшппых материалах частота туннелиропашм с угловой фазе, как ми показали, даже возрастает. Проведенные расчеты с учетом префакгора п взаимодействия с окружением даюг возможность проводить детальные сравнения теории с экспериментом. С практической точки зрения полученные результаты мо&но использовать при анализе предельных возможностей магактной записи бинарного типа с наиометровыы разрешением, а также дла создания элементной базы квантовых (Фейнмановских) компьютеров па осмоса. магнитных ракочастиц. Дополнительно показано, что эффект MICK и мелкодисперсных снтифсррошпитных средах можно использовать для адиабатического охлаждения при сверхнизких температурах. Полученная динамическая восприимчивость слабсферрошгштюй частиц?.! представляет практическую ценность для экспериментальных исследований процессов MKIC резонансным- методом. Эффект переключения поляризация в импульсном пало мохспа использовать при ' создании логических -переключающих устройств. Нами впервые проделан расчет рабочих характеристик логического элемента "управляемое НЕ" квантовых вычислительных цепей дли создания бсзаиссипативиого компьютера на осиосз стш-полярнзованиых мапигпшх наночастиц. Проведено численное модглироваиае его динамических хьрзкгериешк.

Материалы диссертации догадывались на XIV ШКОЛЕ СЕМИНАРЕ "Новые мяппгшыг »вдернаяы микроэлектроники" (Москва ÎÏS4), '

- EMMA 9S (С№ European Magnetic Materials and Applications Conference, Wfen, Austria, September 4-8, 1595),

- 1-ой ОБЪЕДИНЕННОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО МДПШТОЗЛ ЕКТРОI! Ш1Е (Москва, 1E-23 сентября, IQ95), •

- ХХШ СЕМИНАРЕ ПО СПИНОВЫМ ВОЛНАМ (Санкт-Петербург, 14-17 мая, 1996),

- XV ВСЕРОССИЙСКОЙ ШКОЛЕ СЕМИНАРЕ "Новые uanumiue материалы микроэлектроники" (Москва, 18-21 июня, 1936).

Публикации. , .

По материалам диссертационной работы опубликовано б печатных работ, список которых приведен в когте автореферата.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, прилох;сния и списка литературы из 73 наименований, изложена на 68 страницах и содераагт 18 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во нг?леник сбоснонывается актуял >пссть темы диссертационной работа, формулируются цели и основные гздачн. исследования, излагается краткое содержание по главам, пригодятся сспэтшс результаты.

Гдааа!- Обзор литературы по ксантопому тункелирсванию мегаскопического спина в маппггиых средах.

Дан кратки!! обзор основных результате ! теоретических работ по расчету энергетического расшегогения (скорости тушп лиросания) а магнитных малых часпшах и по шшянию дисишатшэтого окружения на процессы макроскопической квантовой когерентности (МКК) и туннглированкя.

Лдщй,- Влияние магнитного поля на квантобое расщепление основного состояния а аитиферроматитиых частиках.

Методом интегралов по траекториям в квззпклзссическом приближении рассчитана частота туннелиросания малой аптнфгррочапнггной частицы п магнитном поле. Рассмотрен дпухосный

антаферромагнетик, знергетдаеская

плотность которого имеет вид

А(Н)/МО)

2М„И-Й,

(1)

где Ма - намагниченность одной подрешетхи, Т=(м, - М,) / 2М„ - вектор Нееля, гТ1={м, +М,)/2/.Г0 - лектор суммарной намагниченности, а есть обменная энергия, Ь, и Ь2 - энергии анизотропии, причем />-, > Л, ? 0. Разбирается отдельно два случая: а) если магнитное поле приложено вдоль трудной оси Ь\\2 (иеколлинеарная фаза) при И < = а / 2, б) если магнитное поле действует ааоль легкой оси намагничивания Е\\Л (коллийеарная фаза) вплоть до ерш-Пор перехода при А=/гд1>, =^п/2М0.

Рие.1 Туннельное расщеплен» ' основного состояния магнитной частицы при наличие ннетантонной интерференция.

Б слу:

неколлинеарной фазы слома подрешсток представлен подробный

вывод частоты туннелирования:

nw *h = rjb,z:'{i-h> / А;,)

(2)

- частота антиферромагшпиого

резонанса,

.__ ^

Sd =2v„y 'AWl-ft'/AL) - классическая часть действия и Ф » —. На

рис.1 представлена качественная форма полевой зависимости энергетического расщепления. Инстантонная интерференция приводит к полевым осцилляшшм

туннельного расщепленир. Период осцилляции равен обменному полю, деленному на суммарный спин одной полрешетки £Н = / 25 Ди случая "б" кодлннеарной фазы вывод частоты туннелировання во многом аналогичен случаю "■а" и поэтому приводятся только отличительные узловые моменты вычислений. Частота туннслирооания дастся выражением

л-а^^е^-г'х,), • (3)

где ю, = -п/ Ь^} - частота антиферромагнитного резонанса,

= 2»^'',/¿,^(1-6' - классическая часть действия. Качественная ■

форма полевой зависимости туннельного расщепления представлена на рис.2. В данном случаз. интерференционного подавления туннелировааия 'не возникает. С росток поля происходит лишь уменьшение величины энергетического барьера, разделяющего состояния равновесия. Поэтому энергетическое расщепление при увеличении поля экспоненциально растет. Однако в непосредственной близости от критического поля в связи с обращением резонансной частоты в нуль (мягкая мода перехода ^„.^ ■= 0),

скорость туннелирования резко замедляется. В конце главы дано детальное обсуждение

полученных результата н сделаны численные оценки для гепатита а - Лггв,.

ГлаваЗ. Квантовая

когерентность И

макроскопическое сшшозсз туннелирование в

слабоферромагннтноц ' малой частице.

Методом интегралов по траекториям в квазиклаееическом приближении рассчитана частота туннелирования малой

слабоферромагнитной частицы в магнитном поле. Рассмотрен слабый ферромагнетик,

плотность энергии которого имеет вид

Е = (4)

где -а есть обменная энергия, Ь, и Ь, - энергии анизотропии, и -антисимметричная обменная энергия (Дзялошинского). Эти энергии можно эквивалентно записать в виде полей: А,=<//2Л/0, Н, =а/ 2л/„,

Л, »(¿, - / 2А/,. Разбираются три случая: а) Л|! А' (область переориентации)

Д(Л)/д{0)

Л

\

/ / 1

■ ■/ у

____.

« и и •> «. ч ¡¡^

Рис 2. Туннельное расщеплена основного состояния магнитной частицы в отсутствие инстангонной интерференции.

при // < h, з -hd / 2 + ^{hj / 2}2 + hji, , 6) Â||-ir (угловад антиферромагнитная • фаза) вплоть до поля стуюпмсаиня подрешеток Л^, + и с) Л||]' (область

. магнитного гистерезиса), когда изгнитнзе иоле h<he &ht/ 2if -ЛД . Для ссек' трех случае в представлен качестпешшй вывод энергетического расщеплении основного состояния (частоты туннелировання) слабого ферромагнетика. Опущенные моменты вычислений детально изложены при выводе туннельного расщепления антиферромагшгтной часспии в главе , 2 пункте 2.2.

Дет сяула "а" получено

д = Mvj&z&'sltt' ¿¿«à^-ft-sM), (5)

где * r{î> / xL sOt.4, Ь={Ьг//¡A). 's-arccofyh/bh,),

s S? *~^{î>x~L[svtS + -6)casd"j. Здесь нет

ниспипониоП интерференции (см. рис.2). С ростом поля происходит уменьшение сеяичниы энергетического барьера, разделяющего еостояин.т равновесия. Поэтому частота туннелировання при уяслнченнн поля экспоненциально растет. Оапакэ а ипогредстомшой близости or критического поля фазового перехода h,, в связи с обращением резонансной частоты и нуль (мягкая мода перехода «>в| >=0), скорость туинелнрованкя резко замедляется. О случав "б" частота туннелировання имеет вид

Д-^"^ijjtf eV^-ft",St,)jci«fi"1 ф\, (б)

ras а>, > Sd т/^Л* и -Ф =■ Ixàslj-- Таким образом, в отличие от

У "г

•случая Â||.V, магнитное пола создает «пазовый сдвиг о амплитудах 1 . туннелировання по альтернативным инстантоннмм траекториям, гтргшодяцшй к их интерференции (см. рис.1). Благодаря этому возникают осцилляции скорости туннелировання с периодом л/; = h, / 2Sa% где • ?а - суммарный сшш . одной подрешетки. •

8 случае "с" • !

j,

Д'КЕѫѮ(Ш)' • •. (7) ' : для ¿Г, • целых и

А - 1Л-i £ ^ + : ; (8)

Для - полуцелых, где 3 - фаза Ееррн. Из эт!« формул следует, что в отсутствие магнитного падл, когда <5 « я, замораживания туинелкропанГО! из-за интерференции инстантонов, в отличие огг ферромагнегшеа, не происходит ни для крамерсовских, ни для кекрамерсовсцнх ионов. Однако при Л = h, -^Aj -hji,, когда $=*!t/2, а слаСофсррокагштюй частице с

полуцелым сшшом подрешеток частота туннслирования на резонансный уровень обращается в нуль. Для частиц с целым спином подобного эффекта не возникает и возможны лишь немонотонные изменения скорости туннслирования с магнитным полем, связанные с выпадением из нее набора гармоник при некоторых значениях магнитного поля, например, когда 5 = л / 4М / 4 и др.. В конце главы дано детальное обсуждение полученных результатов ц сделаны численные оценки для редкоземельного ортофсррита ТГеО,. Также приводится расчет диссипативной поправки к частоте, туннслирования на основании модели Калдейры-Лгггстга и предлагается новый метод для экспериментального исследования процессов МКК, использующий термодинамические свойства двухямной магнитной системы при низких температурах.

Гдара4. Квантовое туннслирование , мезоскопических спинов в слабодиссипатлвной среде.

Используя технику функционалов влияния Фейнмана-Вернона, в квазиклассическом приближении • рассмотрена динамика квантового туннелировакия вектора Нееля малой антиферромагнитной частицы при учете взаимодействия мсзоскопического спина с диссилативным окружением, в частности с фононныыи колебаниями атомарной решетки (результаты работы легко обобщаются на любой ,.

другой вид дисеипативного Р\Ч

окружения, как то спин-солновые . возбуждения, ядерные спины и т.д.). Рассчитывается вероятность сохранения исходного

поляризованного состояния со временем Для двух случаев: а) туннелирование без интерференции ннстантонов (<5 = 0) и б) наличие инстантонной интерференции (¿ = 1).

Для случая "а" получено

7.Д = 25

Д/

= 1 + (9)

2

где д тункелировакия с магнитоупругой перенормировки,

" а1«.' ь

частота учетом

Рис.З Вероятность сохранения начального поляризованного состояния макроскопического спина, взаимодействующего с диссилативным окружением, в отсутствии инстантонной интерференции.

5Йг ,

- время затухания, У(ш) - спектральная функция среды

окружения, Т - температура, со, - частота антиферромагнитного резонанса, а, - частота отсечки спектра колебаний осцилляторов окружения. Качественная форма временной зависимости вероятности предстапленая на рис.3. Как и

гдз i(tï

из-за взаимодействия со средой окружения.

зависимости вероятности туннеяирования

гМ

слагалось для случая <5 = 0, осцилляции г-ерояпюетп туггиглировсшия зату;са:от экспоненциально со временен ¡î вероятность стремится к 1/2 (полная деполяризация). Этот результат согласуете»; с попедениеи немагнитной системы с двухямиым потенциалом.

П слуга "G1', ¡мгда туннеднрогание запрещено н отсутствие диссипации, происходит частичная размерозка начального состояния (снятие выроадетш Крамсрса)

f(/) si-T^-i\/.y.f(<i.Kl(Ю)

: —-

Ь(0,

Качеетг.гниая форма временной предегаплеиая на рис.4.

Этот зффгст может быть объяснен следующим образом. Если магнитный момент заморожен нкстантонной

шггерференциег! а начальном поляризованной состоянии, тогда ВЗаИМОДСЙСТВИВ

жкроснопиксскот спаи л с диссипатншшм окружением затруднено. Происходит лишь псбальшзя флуктуация фазы амплитуд перехода по топологачссг.н аяотернапштш грге-.яорияи, которая приводит к. частичному разиораянезтиа Туннааировашгя. Мы видим, что в протиаополсшность предыдущему слагаю, периодическая смена положений равновесия системы не еозннкпет. Очевидно система находится п вырожденном основном состоянии, которое «растеризуется неполной

спиновой поляризацией. Зта ■

состояние очень похоже.на вырожденное состсипше Кра-'-крсосеких иоко* с полуцелын спином а двухосной кристаллическом воле со слаба рзсстроснпой аксиальной симметрией. Эффект деполяризации зависит от чксташ отсечка », и ire уменьшается с температурой. Следовательно все cctpmsrojtu дкссипаптного окружения участвуют в процессе деполириззцвд. D кокцз главы дано деталыюг обсуждение ■ получении* результатов н .сделаны численные оценки для СЪ-содержакшх мапиггимя йатерйалоп. Такке отдельно разбирается другой возможный вил спектральной функции - при наличие затухания в самой днсснлатнвноП epeas окружении. В этом случае происходит полная деполяризация состояния. МК&шштеЙ «пстшщ.с» взйздозд«

! А .

1/V VW

т 2а1 ...( (Ù )

____|_

Рис.<1 Вгроягиоггь сохранения начального поляризованного состояния макроскопического спина, взагшояейстоугошгго с диссююпюшм рхрукенпем, при полном подавлении туниелирезаиия иистаигондай интерференцией а отсутствии диссипации. ■ .

Глзва5. Динамический отхлик мезоскопической аптифгрромапштпсЙ частицы в состоянии М1С1С на переменное магнитное поле.

Используя результаты третьей главы, методом теории возмущений к на основании флуктуациоцно-диссппативной теоремы получена динамическая восприимчивость слабоферромапптюй малой частииы

Г <П)

где - время затухания макроскопической квантовой когерентности из-за взаимодействия с диссишггивпьш окружением. Таксе найдена вероятность ф) для вектора Несля оставаться в .начальном поляризованном состоянии в. произвольное врем I в переменном магнитном пате

^Ы^Ц^М^М))' . ' (12)

где д[лг) - частота тувналирования,' гсак функция внешнего импульсного поля, приложенного вдоль оси г •

Главаб. Элементы квантовых цепей на основе нанорлзмерных мапштных частиц. -

Сделан расчет рабочих характеристик логичгсхазго атемента "управляемое НЕ" квантовых вычислительных цепей для созааши бездиссипативного компьютера на осноье спин-поляризованиых магнитных частиц. Основа логического элемента - три магнитных бисгабильпых наночастицы, помещенных в немапиггную матрицу и связанных обменным взаимодействием (см. рис.5). Проведено копьютсриое моделирование динамических характеристик элемента.

Таб.1 Функция "управляемое НЕ".

Инверсия Хранение

<гМ -"УПРАВЛЕНИЕ" 1 1 0 0 1 1 0 0

^-"УПРАВЛЕНИЕ" 1 1 0 0 0 0 1 1

о-<'>(/ = 0) - "ВХОД" 1 0 1 0 1 0 [ 0

- 1,)- "ВЫХОД" 0 1 0 1 1 0 1 0

Обозначая значение спина <т{') = 1 ках логическую "1" и соответственно = -! - как логический "0" (/ = 1,2,3), выходные характеристики соответствуют логическому элементу "управляемое НЕ" (см. таб.1).

и

Риг.5. Скема логического аяеменг» "управляемо® НЕ" на базе н&норгзнерни-! нвпит«.« чазти.

В зпючячсния сформулированы основный результаты, полученные а диссертационной работе. Они сводятся к следующему: .

!. Рассчитано знергетнческог расшсплгнпе основного состояния малой антнферпо^зпштно?! частицы в угловой и коллннсарной фдган слома. ' подрешеток, находящейся в состоянии Mii.Il, Вычислено точное значен»? префактора, который образспан (¡шуктуациямн дцуя угловых переменных сектора Иееяя. Показано, что в угловой фазе сломя подргшеток из-за' ; инстантонной интерференции озникггат осишшшш туннельного расщепления' по магнитному полю. Период оецнлляций опргдалясфЕЯ симешщм почем .'< алеменгаркой сшшоео.1 пары. ; ■' '■'.-'■

2. Найдено ' квантовое расщепление оаюшгаго . состояния '': <жооферро?-а п пгг;га й ыалой частицы при трз* напраатекилх внешнего \ магнитного поля. В угловой фазе, также как и длл п!гтферрсмапгеткка, возникает китерферекцшг аиаятуи тутгалггроштозд но алъгсрнапшньгм. • траекториям, которая приводит к периодическому ^коражввзни» МКЛГв '. магнитном поло с периодом, (тррлорннонзлшыя обменному взаимодействию <, элементарной пары сайтов &/>*/>,/£,¿'13 случ&в, .каш\mrnimioe поле.

действует вдоль главной кристаллографической оси ЩУ, возможно наблюдение спонтанного персмагничивания, связанного с квантовыми флуктуациями в области магнитного гастерезиса. Здесь также происходи квантовая интерференция иистантонов, но механизм ее отличается от предыдущего.

3. Предложен новый метод для экспериментального исследования процессов МКК, использующий термодинамические свойства двухяммой

Магнитной системы при низких температурах и основанный на измерении теплоемкости матрицы магнитных наночастиц.

4. Получена эволюционная зависимость вероятности сохранения начального поляризованного' состояния спиновой системы, взаимодействующей с - диссипативным окружением, для двух различных' случаев, когда МКК не запрещено ннстаитокной интерференцией и когда туниелирование заморожено в отсутствие диссипации.

В персом случае осцилляции вероятности туинелирования, возникающие через периодические изменения положений равновесия системы, затухают во времени из-за магнитоупругого взаимодействия мезоскопического спина с. атомными колебаниями. Время затухания зависит от длины магнитоупругого взаимодействия и температуры. Вклад в параметр затухания обусловлен членами магнитоупругого взаимодействия как с поперечными, так и продольными упругими модами. Во втором случае замороженного начального состояния возникает его частичная разморозка из-за флуктуации инстантонной фазы амплитуды туинелирования. Этот эффект обусловлен взаимодействием мезоскопического спина только с поперечными упругими модами, которые зависят от топологии инстантона. Вклад в частичную деполяризацию обусловлен главным образом квантовыми флуктуациями осцилляторов , окружения в основном состоянии. Это отличается от предыдущего случая, когда затухание МКК было вызвано термически возбужденными фононами.

5. Рассчитана динамическая восприимчивость для слабофсрромагнитной малой частииы. Показано, что резонансная добротность пропорциональна квадрату числа кластерных спинов и утла слома подрешеток, определяющего спо!гганную намагниченность. Рассмотрено также влияние импульсного .магнитного поля на процессы MKT в малой антнферромагнитной частице и определены условия 100%-го переключения спиновой поляризации в таком поле. На основе эффекта переключения спиновой поляризации в импульсном поле возможно создание логических переключающих устройств.

6. Предложен логический элемент "управляемое 1IE" квантовых вычислительных цепей для применения в бездиссипативном компьютере на основе спин-поляризованных магнитных наночастиц. Проведено копыотерное моделирование динамических характеристик элемента.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты расчетов частоты квантового туинелирования и энергетического расщепления основного состояния мезоскопической антиферромагнитной и

2. слабоферромапгшой частиц в состоянии макроскопической квантовой когерентности в зависимости от величины и ориентации внешнего магнитного поля и с учетом флуктуационного вклада всех угловых степеней свободы.

3. Зсолюцпопкзя гашгсн.чосг!» вероятности свА7>.1пг:ит начального подяргпсвия'ого соэтойиня снииогай састсыи, шзи! ¿одгйствутзшей с днсснпа-гивНым oxpyr:emiei: ' ври наличии к отсутствии деструктивной шггсрфгргцции uiiciaiiTonoD. Эффект частичного иаппггоупругого размолка имнця агкрссцопичгекого кшпсдоп» -уииг-л^роьлнмя п чг.стично.1 дгпллярн^ш!!!! исходною -поляризованного сшиюгого ссстсяния магнитной частиц!* при j-iierc зззнцодейстшгя спинов с калеСашшми атсгпрной ргшеган.

4.. Лпошшгаа заянспцость теплоемкости аксаыбяя ксюгкогшчеега'л частиц, сряззгк'пя с расцкплеййен основного состояния из-за яьЧешш МКК.

5. Результат расчетов динамической воснриннчиссстк н цераятиости туинсяирования в импульсной пола слабофсррошпштиой мало-'i чдетцп, находящейся » сЬ'Лодйии lvlICK. • ,

6. Jionuis-cK»:! элемент "упрзаляеш» ИЕ" для кЕанттшых вичиелителмшх ц«пе& из. огнои ебмшюггс&ймшх 'ашшж шшочгсгоц и результаты конйыогсзяого моделирования его динамических' характеристик.

Основные результат« диссертации содержится в сяздъощях публикациях !. V.Vu.Golyshev and AF.Pcptov "Antiferroimsmic Itstanton fniii11*i-;-ne-; in Mognstic Fidd" - HtJitOPHYSiCS i.£TTFR3 ¿9 (4), pp.327-332 (1995),

2. ЗЛО. Гелии;», А-Ф.Попкпп "Макрссдоажскоз туниелировзниг спинов a слабо^!сроомапигп!! ix частицах ортсронбичесыгс спт1|фгррошпктш:оаи -::сэтф ш (И), cip.ms-\m о 935),

3. V.Y».Go!yshtv and A.F.PoplQV "Quintum с-сЬ-пелс/: end mseroeccpic spiu tunneling in a weak icrromsjnet fditicle* - JMMM (Joraa! of Magnetism and Mapwtfe fwfaterials) ¿57-153, pp.3*0-3« (1996),

i. А-Ф-Поикш!, й.'О.Голышсп "КгЛнтовое туиикироп-мше нйпагннчшнозп! э сяпбык ферро?1ап1вгчт", тмиси докдздов XIV ШКОЛА CEf.iUHAP "Нбзыс тгфшше мцтериалц.11Ш.фоп«сгро»и!гг}и (Мсгкпя 1S34), стр. 105,

5. ВАЭ.Гелишеи, А.Ф.Пспкоа "Макроекошгчесм» тунийлнроозйкз епшюв I» ферро- и ацгцфгррамапштнйх' надш частица»",' тезисЫ дегепдоз, J-ne-

: ОБЪЕДИНЁННАЯ КО!ШРЕГЩЙЯ ПО М^ГИНТОЭЛП'гСГГ-ОНШСЕ (Москва, 18-23 егтября, 1S95),' изд. ИРЗ ШЦ, стлЗЕМб,.

6. B.IO. Голышей, А.<1>.Попксп "Кзангоаыг- счжкию . в исгоекопкческих «Шисйых счстемак: д(шаыпеа тутклиротшшя н 1Шф&кот«сско8 luM^peirmocnt", Trane» докладов XV ВСЕ|-ОССНЙС1СА5{ ШКОЛА СЕМИНАР "Новые шпшпше материал» ш^кгсдегггрзкнат" (fc-föciari, tC-21 июня, )996), ОЦ-4, сгр.394-395. .

МФТИ

ГЦР- SO .