Ультратонкие, в несколько атомных слоёв, плёнки из сильных магнетиков оказываются «пробным камнем» для различных моделей намагниченности. Если намагниченность порождается спинами электронов, то, казалось бы, ничего не мешает этим спинам выстраиваться в любом направлении по отношению к плоскости плёнки. Если же намагниченность порождается движением зарядовых разбалансов по замкнутым цепочкам атомов, то не все направления намагниченности оказываются позволительны. В ультратонкой плёнке «не помещаются» цепочки атомов, плоскости которых ортогональны плоскости плёнки, а помещаются только те цепочки, плоскости которых параллельны (или почти параллельны) плоскости плёнки. Это давало бы анизотропию – с доминированием намагниченности, ортогональной плоскости плёнки. Таким образом, алгоритм сравнения названных моделей очень прост. Если ультратонкие плёнки способны иметь намагниченность, параллельную своей плоскости, то предпочтительнее будет выглядеть спиновая модель. Если же они на это не способны, то предпочтительнее будет выглядеть модель движения зарядовых разбалансов по цепочкам атомов.
Надо сказать, что в тонких и сверхтонких плёнках сильных магнетиков ось лёгкого намагничивания как раз параллельна плоскости плёнки, поэтому теоретики полагали, что такая ситуация сохранится и в ультратонких плёнках – вплоть до моноатомных слоёв. Но реальность оказалось иной. Уже в 60-х годах прошлого века было достоверно известно о резком уменьшении намагниченности ферромагнитных плёнок, начиная с критических толщин в несколько атомных слоёв. На Рис.2 мы воспроизводим графические данные из [12].
Рис.2. Сплошные линии – теория, пунктирные – эксперимент.
Эти данные отражают результаты измерений намагниченности, параллельной поверхности плёнки. Едва ли кто в те годы допускал, что в ультратонких плёнках «ось лёгкого намагничивания» может быть ортогональна поверхности, поэтому тогда говорили о потере ультратонкими ферромагнетиками своих магнитных свойств – не находя этому разумных объяснений [12].
В дальнейшем выяснилось, что сильные магнетики, будучи ультратонкими, не теряют свои магнитные свойства полностью, они теряют лишь способность к намагниченности вдоль поверхности, а способность к ортогональной намагниченности они не просто сохраняют – ортогональная намагниченность оказывается у них единственно возможной или, по крайней мере, сильно доминирующей. На сегодня это можно считать твёрдо установленным фактом.
Так, признанный авторитет в физике магнитных наноплёнок В.М.Федосюк пишет: «В очень тонких магнитных плёнках (порядка нескольких нанометров) независимо от того, однослойные они или многослойные, по мере уменьшения толщины магнитного слоя… составляющая вектора намагниченности, перпендикулярная плоскости плёнки, увеличивается как обратная функция толщины плёнки ». «Весьма перспективно использование многослойных плёнок с ультратонкими магнитными слоями для устройств с вертикальным способом записи информации… такие многослойные структуры имеют близкое к единице отношение остаточной намагниченности в перпендикулярном поверхности покрытия направлении ». «Мультислойные структуры Co/Cu привлекательны в качестве материала-носителя информации вследствие сильного возрастания при очень малых толщинах магнитных слоёв роли поверхностной магнитной анизотропии, которая стремится ориентировать вектор намагниченности тонкого магнитного слоя ортогонально его поверхности… При толщинах магнитного слоя менее 10-20 Ангстрем вклад в перпендикулярную магнитную анизотропию… поверхностной составляющей становится преобладающим » [13].
Заметим, что свои выводы автор [13] сделал на основе скрупулёзных экспериментальных исследований. Приведём ещё пару экспериментальных результатов. «В плёнках толщиной 20-200 Ангстрем… тонкие плёнки упорядоченных сплавов становятся магнитоодноосными с лёгкой осью, нормальной к их плоскости… в интервале толщин 20<d<200 Ангстрем… плёнки остаются однородно намагниченными перпендикулярно их плоскости » [14]. «При толщине покрытия кобальта в 5 Ангстрем имеет место отсутствие остаточной намагниченности плёнки вдоль поверхности образца… при толщине 7.5 Ангстрем обнаруживается намагниченность вдоль поверхности… » [15].
Таким образом, факты с полной определённостью указывают на то, что сильные магнетики, при толщине в несколько атомных слоёв, теряют способность к намагниченности вдоль поверхности. Этот феномен не находит разумного объяснения [13] в рамках традиционного подхода, с привлечением «спинов электронов». Наоборот, этот феномен, как мы проиллюстрировали выше, легко и естественно объясняется моделью намагниченности, как результата движений зарядовых разбалансов по цепочкам атомов.