CC BY
1ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТОЧНЫЕ НАУКИ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2007. № 4 (7Т]"| ^^
УДК 537.632.4;636 ©Ю. И. Щербаков, 2007
ДИНАМИКА ОДИНОЧНОЙ ПЛОСКОЙ ДОМЕННОЙ ГРАНИЦЫ В ПЛАСТИНКАХ СЛАБЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ YFeüs, FeBOs И a-Feiüs
Щербаков Ю. И. - канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры «Физика» (ТОГУ)
В работе представлены экспериментальные результаты по исследованию торможения одиночной доменной границы при ее движении под действием управляющего магнитного поля в монокристаллических пластинках слабых ферромагнетиков. Результаты обсуждаются с использованием механизма взаимодействия магнитной и упругой подсистем кристаллов.
The paper deals with experimental effects on examination of inhibiting action of single domain boundary at its motion under activity of a driving magnetic field in monocrystal platelets of feeble Ferro magnets. The results are discussed with use of the interaction mechanism of magnetic and elastic subsystems of crystals.
Введение
Слабые ферромагнетики (неколлинеарные антиферромагнетики) получили такое название из-за малой величины намагниченности по сравнению с ферримагнитными кристаллами. Например, у иттриевого феррита-граната (Y3FesO12) намагниченность насыщения при комнатной температуре составляет MS = 140 • 103 А/м, а у иттриевого орто-феррита (YFeO3) MS = 8,4 • 103 А/м. Несмотря на то, что у слабых ферромагнетиков намагниченность на порядок меньше, чем у ферритов-гранатов, они имеют сравнимые по порядку величины магнитооптические эффекты. Высокая магнитооптическая добротность и высокая температура Нееля в рассматриваемых слабых ферромагнетиках вызывают интерес к ним у разработчиков устройств (модуляторов, вентилей и др.) для оптической связи. Важным свойством этих устройств является их быстродействие, связанное со скоростью движения доменных границ (ДГ).
ВЕСТНИК ТОГУ. 2007. № 4 (7) Щербак°в Ю. И.
Результаты и их обсуждение
Экспериментально с помощью магнитооптического эффекта Фара-
дея определены предельные скорости ДГ: c = 20 -10 м/с для YFeO3 и 14 • 103 м/с для бората железа (FeBO3), что превышает скорости звука в этих кристаллах [1, с. 1656-1660], [2, с. 207-209]. Скорости поперечного и продольного звуков в YFeO3 соответственно равны иt = 4,1 -103
м/с и иj = 7,2 -103 м/с, а в FeBO3 иt1 = 4,6 -103 м/с, иt2 = 7,0 -103 м/с и
и j = 10,5 -103 м/с. Следует отметить, что в FeBO3 при скоростях ДГ,
больших скорости продольного звука, ДГ теряла устойчивость и становилась широкой.
Как следует из теории [3, с. 417-458], предельная скорость с прямо пропорциональна температуре Нееля:
c « akTN / h,
где а - постоянная решетки; k - постоянная Больцмана; TN - температура Нееля; h - приведенная постоянная Планка. Используя это соотношение, получаем для гематита (a-Fe2O3) c = 30-10 м/с, что является наибольшей скоростью движения ДГ в кристаллах.
Исследование движения ДГ под действием внешнего продвигающего магнитного поля Н [1], [2], [4. с. 939] показало, что зависимость скорости ДГ и( H) носит нелинейный характер и имеет ряд интервалов АН, где и = const при возрастании поля. Постоянство скорости означает, что ДГ тормозится в этом интервале АН (рисунок) На рисунке показана зависимость скорости движения одиночной ДГ и в образце FeBO3 от амплитуды продвигающего магнитного поля Н. Как показано экспериментально и теоретически [3], торможение ДГ при скоростях ее, равных скоростям поперечного и продольного звуков, обусловлено магнитоупругими взаимодействиями. Аналогично при совпадении скорости ДГ со скоростью объемных спиновых волн (и = c) также наблюдается торможение ДГ.
Однако возникли трудности с объяснением других значений скоростей ДГ, выше и ниже звуковых скоростей, при которых наблюдается торможение [1, 4].
Из общих соображений следует, что резонансное торможение ДГ происходит при взаимодействии ее с одним из вышеназванных возбуждений (фононов и магнонов), вызываемых движением ДГ в условиях фазового синхронизма для магнитной и упругой подсистем кристалла. Перевороты спинов атомов железа, распространяясь по кристаллу при движении ДГ, вызывают смещение ионов, т. е. деформацию, которая распространяется в виде звуковой волны. В условиях фазового син-
ДИНАМИКА ОДИНОЧНОМ ПЛОСКОЙ ДОМЕННОЙ ГРАНИЦЫ В ПЛАСТИНКАХ СЛАБЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ УГе03, ГеБ03 И а-Ге203
ВЕСТНИК ТОГУ. 2007. № 4 (7)
хронизма имеем: ш = шг-, к = . Здесь ю, к - частота и волновое число соответственно спектральной компоненты вынуждающей силы, создаваемой движущейся ДГ, которые связаны соотношением ш = к и, где и - скорость ДГ. Частота юг- и волновое число к относятся к одному из указанных выше возбуждений.
и, (х103 м/с) 15
10
5
• • • •
<
+
10
20
30
40
50 Н, э
Зависимость скорости движения одиночной доменной границы в образце БеБ03 от амплитуды продвигающего магнитного поля. Температура комнатная
В соответствии с законом сохранения импульса для рассматриваемых квазичастиц (фононов и магнонов) можно записать: пк = тк1, здесь п и т - целые числа. В частности, при равных частотах, получаем: п /и = т / ирк, где ирк - скорость фононов (и или и1). Тогда для
скоростей ДГ получаем
п
и = —и
т
рк '
При п = 1 и т = 1 и = 1, т. е. возбуждается один фонон.
При т = 1, п = 2, 3, ... тоже возбуждается один фонон, но торможение ДГ будет наблюдаться на скоростях ее, больших скорости звука, равных и = п 1. Для скоростей ДГ и < и рк будет выполняться при
п = 1 соотношение и = 1 /т. Следовательно, доменная граница будет
0
ВЕСТНИК ТОГУ. 2007. № 4 (7) Щербак°в Ю. И-
тормозиться и при движении со скоростями, меньшими скорости звука. Не исключено также, что несколько магнонов возбуждают несколько фононов.
Расчет скоростей движения ДГ, при которых ожидается резонансное торможение, дает значения, близкие к экспериментальным данным, полученным в УБеО3 и БеБО3 [1, 2, 4]. Так, практически для всех образцов УБеО3 наблюдаются значения постоянных скоростей ДГ на зависимости и(Н), равные примерно (10, 12, 14, 16, 20) 103 м/с [1]. В образцах БеБО3 [2, 4] торможение наблюдалось при и = (2,0; 2,2; 3,0; 3,6; 4,6; 7,0; 10,5; 14,0)103 м/с. Представляет интерес провести исследование динамики одиночной ДГ в гематите, где ожидается, в частности, торможение при и = 6,8 -103 м/с и 4,4 -103 м/с, равных соответственно скоростям продольного и поперечного звуков.
Заключение
Таким образом, большинство случаев постоянства скоростей движения одиночных ДГ при перемагничивании монокристаллических образцов УБеО3 и БеБО3, экспериментально наблюдаемых с помощью магнитооптического эффекта Фарадея, достаточно хорошо объясняется механизмом многочастичного взаимодействия (фононов и магнонов). Не исключено, что возможны и другие механизмы торможения ДГ, связанные, например, с возбуждением движущейся доменной границей поверхностных упругих и магнитных волн [4], [5, с. 49].
Библиографические ссылки
1. Резонансное торможение доменной границы в ортоферритах на винте-ровских магнонах / М. В. Четкин, А. П. Кузьменко, А. В. Каминский, В. Н. Филатов // ФТТ. 1998. Т. 40. № 9.
2. Нелинейная динамика доменных границ в БеБО3 / М. В. Четкин, Ю. И. Щербаков, С. Н. Гадецкий, В. Д. Терещенко // ЖТФ. 1985. Т. 55. Вып. 1.
3. Динамика доменных границ в слабых ферромагнетиках / В. Г. Барьях-тар, Б. А. Иванов, М. В. Четкин // УФН. 1985. Т. 146. Вып. 3.
4. Ориентационный фазовый переход, индуцированный движущейся доменной границей в борате железа / М. В. Четкин, В. В. Лыков, В. Д. Терещенко // ФТТ. 1990. Т. 32.
5. Упругие колебания в пластинчатом образце ортоферрита иттрия, индуцирование движущейся доменной границы / А. П. Кузьменко, Е. А. Жуков // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32.
