Udvekslingsbias (eller: udvekslingsanisotropi , anisotropi af udvekslingsinteraktion , ensrettet udvekslingsanisotropi ) er et træk ved hysterese - løkker af magnetiseringsvending af magnetiske materialer, manifesteret i den asymmetriske placering af sløjfen i forhold til y- aksen . Det observeres i lagdelte og nanostrukturerede magnetiske materialer, der indeholder en magnetisk blød ferromagnetisk og stærkt anisotrop antiferromagnetisk fase .
Skiftet af hysteresesløjfen i lagdelte materialer forklares sædvanligvis ved, at den magnetisk bløde komponent er påvirket af et af de magnetiske subgitter af den antiferromagnetiske komponent. Denne effekt kaldes exchange bias eller pinning.
Exchange bias-effekten, også kendt som ensrettet anisotropi, blev opdaget i 1956 af Meiklejohn og Bean, mens de studerede koboltpartikler indlejret i det antiferromagnetiske oxid CoO [1] [2] [3] . Allerede fra begyndelsen blev det konkluderet, at forskydningen af hysteresesløjfen er forårsaget af tilstedeværelsen af et oxidlag, der omgiver koboltpartiklerne. Det betød, at den magnetiske interaktion gennem deres fælles grænseflade var af afgørende betydning for at skabe effekten. Efter at det blev anerkendt som et udelukkende grænsefladefænomen, begyndte udvekslingsbias at blive undersøgt hovedsageligt på tynde film bestående af kontakt med ferromagnetiske (FM) og antiferromagnetiske (AFM) lag. På nuværende tidspunkt bliver litografisk forberedte strukturer, såvel som ferromagnetiske og antiferromagnetiske partikler, imidlertid aktivt undersøgt igen.
Den første og enkleste model til at forklare effekten var teorien foreslået af Meiklejohn og Bean [2] . I deres arbejde undersøgte de enkelt-domæne sfæriske koboltpartikler belagt med antiferromagnetisk CoO. Disse partikler havde enakset anisotropi, og deres lette magnetiseringsakse (EAA) blev justeret parallelt med det påførte magnetfelt. De antog, at spin-konfigurationen af antiferromagneten ved grænsefladen er fuldstændig ukompenseret og forbliver justeret langs dens EMA på grund af den betydelige anisotropi af AFM og den svagere udvekslingskobling mellem antiferromagneten og ferromagneten. En sådan udvekslingsbiasmekanisme fører til et skift af hysteresesløjfen med en mængde Hex , som er to størrelsesordener højere end værdierne observeret i finkornede polykrystallinske film, selvom denne teori beskriver andre systemer ganske godt.
Kronologisk er den anden model, der forklarer exchange bias-effekten, Neels teori [4] . Néel foreslog en model af en ukompenseret AFM-spinstruktur ved grænsefladen. Han påpegede dog, at denne spinstruktur er genstand for deformation og undergår irreversible ændringer under rotationen af magnetiseringen af FM-laget. Som følge heraf bestemmes udvekslingsforspændingsfeltet Hex og tvangskraften Hc af ændringer i AFM under magnetiseringsreverseringen af det ferromagnetiske lag . Ifølge hans teori har H c to bidrag: en intern ferromagnetisk komponent og en term, der vil være proportional med irreversible ændringer i magnetiseringen i AFM. Neel mente også, at for rigtige grove grænseflader skulle begge subgitter af antiferromagneten præsenteres i grænsefladeområdet, hvilket fører til delvis kompensation af AFM-momenter. I tilfælde af polykrystallinske AFM'er kan antallet af spins ved grænsefladen af hvert antiferromagnetkorn have en statistisk fordeling, hvilket fører til fluktuationer i momenterne for hvert AFM-korn. Denne teori er heller ikke egnet til at beregne værdierne af H ex .
Den mest succesrige teori om udvekslingsbias kan betragtes som modellen af Fulcomer og Carap [5] [6] . Forskerne udførte både eksperimentelle og teoretiske undersøgelser af udvekslingsbias i permalloy-film, hvor nikkel gradvist blev oxideret under syredampbehandling med dannelse af isolerede APM-korn på filmoverfladen. De observerede progressive ændringer i udvekslingsbias i sådanne systemer, forbundet både med en stigning i kornstørrelsen og med en stigning i antallet af korn af AFM-materialet. Kvantitativ modellering baseret på modellen for granulatrotation svarende til Stoner-Wohlfarth-systemet er i god overensstemmelse med eksperimentelle observationer. Især forudsagde Falcomer og Carap, at et udvekslingsfelt, der virker på en AFM af en ferromagnet, kunne føre til termisk aktiverede ændringer i orienteringen af AFM-undergittrene, hvilket igen fører til en ændring i værdien af Hex . Et vigtigt træk ved denne teori er, at tilfælde med en stor spredning i størrelse og form af AFM-korn blev overvejet. Således varierede anisotropien og udvekslingskoblingsenergierne over et bredt område. Kornstørrelsesfordelingen blev taget således, at alle værdier var lige sandsynlige op til et vist maksimum, og der var ingen større korn. De fandt det vigtigt at overveje kornstørrelsesfordelingen, men fordelingens form var ikke kritisk. Denne model var i stand til at forudsige temperaturafhængighederne af Hex og Hc over en lang række temperaturer, herunder områder over Néel-temperaturen, som rapporteret i [ 7 ] . Generelt er denne teori blevet grundlaget for andre modeller af granulat (korn) baseret på virkningerne af termiske udsving.
Mere moderne teorier om magnetisk udvekslingsbias omfatter modellerne af Mauri [8] , Malozemov [9] , Stiles og McMichael [10] , Frimærker [11] , Novak [12] og andre. En af teorierne om temperaturadfærden hos udvekslingsbias blev foreslået af O'Grady i 2009 [13] .
Selvom udvekslingsbias-effekten blev opdaget i midten af det tyvende århundrede, er der stadig ingen endelig teori, der kunne forklare skiftet af hysterese-løkken ( Hex ) og den øgede værdi af tvangskraften ( Hc ) (defineret som halvdelen) løkkebredden). En af grundene til, at der ikke er udviklet en klar og omfattende teori, er, at rækken af prøver, der er undersøgt til dato, er meget forskelligartet. Sådanne prøver omfatter nanopartikler, hvor AFM/FM-grænsefladen naturligvis ikke er flad [14] , epitaksialt dyrkede film [15] , hvor grænsefladen er næsten perfekt flad, og aflejrede polykrystallinske film [16] , hvor grænsefladen har en betydelig ruhed, hvilket kan føre til både strukturel og magnetisk uorden. Det er interessant at bemærke, at den største udvekslingsbias ved stuetemperatur observeres i sputterede polykrystallinske (granulære) film, og det er disse materialer, der bruges til applikationer i enheder som magnetiske optagehoveder og MRAM-applikationer.