CC BY
1ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2010. № 2 (17)
УДК 537.622:537.326
© Е. А. Жуков, А. В. Каминский, Ю. И. Щербаков, 2010
ИЗГИБНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ПЛАСТИН БОРАТА ЖЕЛЕЗА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Жуков Е. А. - д-р физ.-мат. наук, проф. кафедры «Электротехника и электроника», email: e_a_zhukov@mail.ru.; Каминский А. В. - канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры «Электротехника и электроника», e-mail: Ak13636@mail.ru; Щербаков Ю. И. - канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры «Физика», тел.: (4212) 37-52-53 (ТОГУ)
Экспериментально исследованы изгибные колебания пластин FeBO3 во внешнем магнитном поле. Измерена зависимость резонансной частоты из-гибных колебаний от магнитного поля.
The vibrations of FeBO3 plates in an external magnetic field are experimentally investigated. The resonant frequency of flexural vibrations as a function of magnetic field is measured.
Ключевые слова: изгибные колебания, слабые ферромагнетики, борат железа, резонансная частота.
Большое количество исследований посвящено спектрам колебаний и волн магнитных плёнок и пластин, которые используются в качестве элементов памяти, например, в ячейках магниторезистивной памяти с произвольным доступом (Magnetoresistive Random Access Memory MRAM) [1]. Зависимость резонансных частот изгибных колебаний ферромагнитных пластин от магнитного поля используется при исследовании свойств материалов, а также в атомно-силовой микроскопии [2-4]. Большую роль в формировании этих спектров играет динамическое взаимодействие между магнитной, электрической и акустической подсистемами, которое в реальных элементах происходит при влиянии ограничивающих поверхностей [5-7]. В работе [6] было показано, что внешнее магнитное поле приводит к появлению поперечной жесткости ферромагнитной пластины. Приобретенная дополнительная жесткость приводит к изменению закона дисперсии изгибных колебаний.
Ряд магнетиков оказывается прозрачным в видимом и ближнем ИК диапазонах света, что делает возможным использование оптических методов не только для записи, считывания и обработки информации, но и для исследований этих магнетиков. Особое место среди них занимают антиферромагнетики с небольшим скосом магнитных моментов подрешеток (слабые ферромаг-
ВЕСТНИК ТОГУ. 2010. № 2 (17)
Жуков Е. А., Каминский А. В., Щербаков Ю. И.
нетики). К последним относятся ортоферриты, борат железа, гематит и др. [8], ряд уникальных свойств которых, в частности, магнитооптических, делают их перспективными для применения в быстродействующих устройствах обработки информации [8, 9].
В настоящей работе экспериментально исследованы изгибные колебания монокристаллических пластин легкоплоскостного слабого ферромагнетика бората железа FeBO3 во внешнем постоянном однородном магнитном поле. Использовались образцы в форме плоскопараллельных пластин. Естественные грани пластин, совпадающие с легкой плоскостью кристалла, не подвергались механической обработке. Магнитное поле, ориентированное в легкой плоскости, создавалось постоянным магнитом, с размерами, большими по сравнению с образцами и регулировалось изменением расстояния до них. Изгибные колебания пластин (волны Лэмба) возбуждались с помощью пьезо-керамической пластины, на краю которой закреплялся образец (рис. 1). На пьезокерамическую пластину, размеры которой значительно превышали размеры образца, от генератора гармонических колебаний подавалось напряжение с амплитудой 15 В и частотами f вплоть до нескольких мегагерц. Возникающие при этом изгибные колебания образца регистрировались по методике, приведенной в [10, 11].
Амплитуда колебаний и резко возрастала на резонансных частотах, зависящих от геометрических размеров свободной части пластины образца.
Идентификация типа возбуждаемых колебаний осуществлялась по исследованию распределения угла отклонения отраженного лазерного излучения по поверхности образца. Отклонение луча было максимальным на свободном краю образца и исчезало при приближении к закрепленному. При этом резонансная частота уменьшалась с увеличением размера свободной части образцов, что дополнительно подтверждало отсутствие влияния колебаний пьезо-керамики на измерения.
Для измерения частотных зависимостей амплитуды и фазы ф колебаний применялся метод темного поля (рис. 1).
На рис. 2 приведены характерные амплитудно-частотные (а) и фазо-частотные характеристики (б) изгибных колебаний вблизи одной из резонансных частот~ 87 кГц, в магнитных полях Н = 6,3 и 556 Э для образца, толщиной около h ~ 150 мкм и поперечными размерами 2-3 мм, свободная часть которого выступала на 1,5 мм. Из рис. 2 видно, что при увеличении
Рис. 1. Схема эксперимента: 1 - образец FeBO3, 2 - пьезокерамика, 3 - постоянный магнит, 4 - Не-№ лазер, 5 - фотодиод, 6 - линза
ИЗГИБНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ПЛАСТИН БОРАТА ЖЕЛЕЗА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
ВЕСТНИК ТОГУ. 2010. № 2 (17)
внешнего магнитного поля от 6,3 до 556 Э резонансная частота увеличивается. Это согласуется с теоретическими выводами [5, 6], где показано, что маг-нитоакустическое взаимодействие приводит к росту частоты изгибных колебаний в магнитном поле.
--------- -80
86 87 88 89 / кГц
а б
Рис. 2. Амплитудно-частотные (а) и фазо-частотные (б) характеристики в полях Н = 6,3 Э (кривая 1) и Н = 556 Э (кривая 2)
На рис. 3 приведена зависимость резонансной частоты ТО изгибных колебаний пластинки бората железа в присутствии внешнего магнитного поля Н от величины 1/Н. Изменение резонансной частоты составило примерно 1 %.
87,4 87,3 87,2
и 87,1
И
ч = 87,0 86,9 86,8 86,7
0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 1 /Я, Э 1
Рис. 3. Зависимость сдвига резонансной частоты изгибных колебаний от обратной
величины магнитного поля 1/Н
Наблюдалось также возрастание резонансной частоты в магнитном поле другой моды колебаний. В этом случае частота была около 240 кГц. При увеличении магнитного поля наблюдалось увеличение резонансной частоты. В
я
ВЕСТНИК ТОГУ 2010 №2(17) Жуков Е. А., Каминский А. В., Щербаков Ю. И.
сильном магнитном поле (H ~ 3500 Э) резонансная частота возрастает примерно на 2,1 % по сравнению с её величиной в отсутствии магнитного поля.
Аналогичные результаты, но с меньшим сдвигом резонансных частот наблюдались также в пластинах гематита и ортоферрита иттрия.
Проведённые исследования изгибных колебаний в монокристаллических образцах бората железа позволяют утверждать, что на их основе можно создать устройства с перестраиваемой под действием внешнего магнитного поля частотой изгибных колебаний. Подобные устройства также могут быть использованы для создания дефлекторов лазерного излучения.
Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект № 2.1.1/2691).
Библиографические ссылки
1. Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures III / Edited by B. Hillebrands and A. Thiaville . Berlin.: Springer-Verlag, Topics in Applied Physics. 2006. V. 101.
2. Brandt E. H. Theory of the vibrating ferromagnetic reed // J. Appl. Phys. 1986. V. 59.
3. Jacobsen R. L., Ehrlich A. C. Vibrating-reed dynamics in a magnetic field // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73.
4. Gaganidze E., Esquinazi P., Ziese M. Dynamical response of vibrating ferromag-nets // J. Magn. Mater. 2000. V. 210.
5. Гуляев Ю. В., Дикштейн И. Е., Шавров В. Г. Поверхностные магнитоакусти-ческие волны в магнитных кристаллах в области ориентационных фазовых переходов // УФН. 1997. Т. 167. № 7.
6. Барьяхтар В. Г., Локтев В. М., Рябченко С. М.Вращательная инвариантность и магнитоизгибные колебания ферромагнитных пластин (стержней) // ЖЭТФ. -1985. Т. 88. Вып. 5.
7. Дикштейн И. Е. Упругие волны в магнитных кристаллах в окрестности ори-ентационного фазового перехода во внешнем поле // ФТТ. 1989. Т. 31. Вып. 3.
8. Bar'yakhtar V. G., Chetkin M. V, Ivanov B. A., Gadetskii S. N. Dynamics of Topological Magnetic Solitons. Experiment and Theory. Berlin. : Springer-Verlag, Springer Tracts in Modern Physics. 1994. V. 129.
9. Kalashnikova A. M., KimelA. V., Pisarev R. V., Gridnev V. N., KirilyukA., Rasing Th. Impulsive Generation of Coherent Magnons by Linearly Polarized Light in the Easy-Plane Antiferromagnet FeBO3 // Phys. Rev. Lett. 2007 V. 99. N. 16.
10. Кузьменко А. П., Жуков Е. А., Ли Ц. Резонансное возбуждение магнитоупру-гих колебаний в ортоферритах одиночной доменной границей // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2005. № 1.
11. Кузьменко А. П., Жуков Е. А., Щербаков Ю. И. Взаимодействие движущейся доменной границы с поверхностными магнитоупругими волнами в ортоферрите иттрия. // ЖТФ. Т. 78. Вып. 11.
