Výměnné zkreslení (neboli: výměnná anizotropie , anizotropie výměnné interakce , jednosměrná výměnná anizotropie ) je znakem hysterezních smyček magnetizačního převrácení magnetických materiálů, který se projevuje v asymetrickém umístění smyčky vzhledem k ose y . Je pozorován ve vrstvených a nanostrukturních magnetických materiálech obsahujících magneticky měkkou feromagnetickou a vysoce anizotropní antiferomagnetickou fázi .
Posun hysterezní smyčky ve vrstvených materiálech se obvykle vysvětluje tím, že magneticky měkká složka je ovlivněna jednou z magnetických podmřížek antiferomagnetické složky. Tento efekt se nazývá zkreslení výměny nebo pinning.
Efekt výměnného zkreslení, známý také jako jednosměrná anizotropie, objevili v roce 1956 Meiklejohn a Bean při studiu částic kobaltu uložených v antiferomagnetickém oxidu CoO [1] [2] [3] . Od samého počátku bylo vyvozeno, že posun hysterezní smyčky je způsoben přítomností oxidové vrstvy obklopující kobaltové částice. To znamenalo, že magnetická interakce prostřednictvím jejich společného rozhraní měla rozhodující význam při vytváření efektu. Poté, co byl rozpoznán jako výlučně mezifázový jev, začalo se zkreslení výměny zkoumat hlavně na tenkých vrstvách sestávajících z kontaktních feromagnetických (FM) a antiferomagnetických (AFM) vrstev. V současné době se však opět aktivně studují litograficky připravené struktury, stejně jako feromagnetické a antiferomagnetické částice.
Prvním a nejjednodušším modelem pro vysvětlení efektu byla teorie navržená Meiklejohnem a Beanem [2] . Ve své práci zkoumali jednodoménové sférické kobaltové částice potažené antiferomagnetickým CoO. Tyto částice měly jednoosou anizotropii a jejich osa snadné magnetizace (EAA) byla vyrovnána rovnoběžně s aplikovaným magnetickým polem. Předpokládali, že spinová konfigurace antiferomagnetu na rozhraní je zcela nekompenzovaná a zůstává zarovnaná podél jeho EMA kvůli významné anizotropii AFM a slabší výměnné vazbě mezi antiferomagnetem a feromagnetem. Takový mechanismus zkreslení výměny vede k posunu hysterezní smyčky o hodnotu Hex , která je o dva řády vyšší než hodnoty pozorované u jemnozrnných polykrystalických filmů, ačkoli tato teorie docela dobře popisuje jiné systémy.
Chronologicky je druhým modelem vysvětlujícím efekt směnného zkreslení Neelova teorie [4] . Néel navrhl model nekompenzované spinové struktury AFM na rozhraní. Upozornil však, že tato spinová struktura podléhá deformaci a během rotace magnetizace FM vrstvy podléhá nevratným změnám. V důsledku toho jsou předpětí Hex výměny a koercitivní síla Hc určeny změnami v AFM během převrácení magnetizace feromagnetické vrstvy. Podle jeho teorie má Hc dva příspěvky: vnitřní feromagnetickou složku a člen, který bude úměrný nevratným změnám v magnetizaci v AFM. Neel také uvažoval, že pro skutečná hrubá rozhraní by měly být obě podmřížky antiferomagnetu prezentovány v oblasti rozhraní, což vede k částečné kompenzaci AFM momentů. V případě polykrystalických AFM může mít počet spinů na rozhraní každého antiferomagnetického zrna statistické rozložení, což vede ke kolísání momentů každého zrna AFM. Tato teorie také není vhodná pro výpočet hodnot Hex .
Za nejúspěšnější teorii směnného zkreslení lze považovat model Fulcomera a Carapa [5] [6] . Vědci provedli experimentální i teoretické studie předpětí výměny v permalloy filmech, ve kterých byl nikl postupně oxidován během úpravy kyselými parami za vzniku izolovaných zrn APM na povrchu filmu. Pozorovali progresivní změny ve výměnném vychýlení v takových systémech, spojené jak se zvýšením velikosti zrn, tak se zvýšením počtu zrn materiálu AFM. Kvantitativní modelování založené na modelu rotace granulí podobnému systému Stoner–Wohlfarth je v dobré shodě s experimentálními pozorováními. Konkrétně Falcomer a Carap předpověděli, že výměnné pole působící na AFM feromagnetem by mohlo vést k tepelně aktivovaným změnám v orientaci podmřížek AFM, což zase vede ke změně hodnoty Hex . Důležitým rysem této teorie je, že byly uvažovány případy s velkým rozptylem velikosti a tvaru zrn AFM. Anizotropie a výměnné vazebné energie se tedy měnily v širokém rozsahu. Rozdělení velikosti zrn bylo vzato tak, že všechny hodnoty byly stejně pravděpodobné až do určitého maxima a nebyla žádná větší zrna. Zjistili, že je důležité zvážit distribuci velikosti zrn, ale tvar distribuce nebyl kritický. Tento model byl schopen předpovědět teplotní závislosti Hex a Hc v širokém rozsahu teplot, včetně oblastí nad teplotou Néel, jak je uvedeno v [ 7] . Obecně se tato teorie stala základem pro další modely granulí (zrn) založených na účincích teplotních fluktuací.
K modernějším teoriím zkreslení magnetické výměny patří modely Mauriho [8] , Malozemova [9] , Stilese a McMichaela [10] , Stampse [11] , Novaka [12] aj. Jedna z teorií teplotního chování Exchange bias navrhl O'Grady v roce 2009 [13] .
Ačkoli byl efekt zkreslení výměny objeven v polovině dvacátého století, stále neexistuje definitivní teorie, která by dokázala vysvětlit posun hysterezní smyčky ( H ex ) a zvýšenou hodnotu koercitivní síly ( H c ) (definovanou jako poloviční šířka smyčky). Jedním z důvodů, proč nebyla vypracována jasná a komplexní teorie, je to, že škála dosud studovaných exemplářů je velmi různorodá. Mezi takové vzorky patří nanočástice, kde zjevně rozhraní AFM/FM není ploché [14] , epitaxně narostlé filmy [15] , u kterých je rozhraní téměř dokonale ploché, a deponované polykrystalické filmy [16] , kde má rozhraní výrazná drsnost, která může vést ke strukturální i magnetické poruše. Je zajímavé poznamenat, že největší předpětí výměny při pokojové teplotě je pozorováno u naprašovaných polykrystalických (granulárních) filmů a právě tyto materiály se používají pro aplikace v zařízeních, jako jsou magnetické záznamové hlavy a aplikace MRAM.