CC BY
1ФИЗИКА
ВЕСТНИК ТОГУ. 2013. № 4(31)
УДК 537.622:537.326
©М. Е. Адамова, Е. А. Жуков, А. В. Каминский, Ю. И. Щербаков, 2013
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В МОНОКРИСТАЛЛЕ БОРАТА ЖЕЛЕЗА ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Адамова М. Е. - студент 5-го курса специальности «Физика», e-mail: admaria@yandex.ru; Жуков Е. А. - д-р физ.-мат. наук, проф. кафедры «Электротехника и электроника», e-mail: e_a_zhukov@mail.ru; Каминский А. В. - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Электротехника и электроника», e-mail: Ak13636@mail.ru; Щербаков Ю. И. - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Физика», тел.: (4212) 37-5253 (ТОГУ)
В данной работе создана установка для исследования динамики нелинейных волн в слабом ферромагнетике FeBO3. Экспериментально получены зависимости скорости доменной границы (ДГ) от величины продвигающего магнитного поля в свободном состоянии и при различных направлениях внешнего магнитного поля. Впервые рассматривается влияние постоянного магнитного поля на динамику ДГ.
Ключевые слова: борат железа, доменная граница, магнитное поле.
Практически все нелинейные процессы связаны с волновыми явлениями, имеющими разнообразную физическую природу: оптическую, акустическую, магнитную или другую [1-9]. При этом важную роль играет динамическое взаимодействие между различными подсистемами, которое в реальных элементах происходит при влиянии ограничивающих поверхностей. В настоящее время большое количество исследований посвящено волновым спектрам магнитных пленок и пластин, которые используются в качестве элементов памяти [10]. Во многих случаях основным методом перемагничивания элементарной ячейки является движение доменной границы. Перспективными материалами для этого являются прозрачные слабые ферромагнетики, которые сочетают прозрачность в видимой области спектра и сверхбыструю динамику магнитной подсистемы [6, 11-21]. Используемый в эксперименте образец FeBO3 представляет собой плоскопараллельную пластину толщиной 100 мкм, размерами 2х1,1 мм. Базисная плоскость кристалла совпадает с плоскостью пластины. Для достижения максимального контраста образец повернут на угол 45°.
На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки для изучения динамики доменной границы в кристалле FeBO3.
£
ВЕСТНИК ТОГУ. 2013 № 4 (31)
Рис. 1. Схема установки: 1 - лазер; 2 - поляризатор; 3 - система катушек;
4 - образец; 5 - окуляр; 6 - анализатор; 7 - линза с фокусным расстоянием 0,94 м;
8 - фотоприемник
Излучение от источника, проходя через поляризатор, подается на образец и далее поляризованный свет пропускается в окуляр и через анализатор. Сигнал регистрируется фотодиодом ФД - 24К. В качестве источника излучения используется лазерный диод с коллимированным пучком излучения малой расходимости, длина волны 532 нм.
Колебания ДГ около положения равновесия вызывается действием переменного магнитного поля, создаваемого катушками Гельмгольца, на которые подается переменный ток от низкочастотного генератора сигналов. Катушки подключались к генератору при согласованном сопротивлении 50 Ом.
Напряжение с резистора, как и сигнал с фотодиода подаются на цифровой люминофорный четырехканальный осциллограф Т085054Б. Амплитуда смещения ДГ достаточна для ее регистрации фотоэлектрическими элементами, но для дальнейших измерений сигнал был усилен с помощью селективного микровольтметра В6-9, настроенным на частоту модуляции. По амплитуде сигнала с фотодиода при разных частотах и амплитудах переменного поля определялась скорость
ДГ.
Магнитное поле, ориентированное в базисной плоскости, создавалось постоянным магнитом, с размерами, большим по сравнению с образцом и регулировалось изменением расстояния до него (рис. 2). При расположении магнита в положении 1 магнитом создавалось поле, параллельное плоскости образца, а в положении 2 - поле, перпендикулярное плоскости образца.
Рис. 2. Схема расположения плоскостных магнитов: К - катушки; О - образец; (1) - положение магнита при параллельной ориентации магнитного поля; (2) - положение магнита при перпендикулярной ориентации магнитного поля
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ДОМЕННЫХ -
ГРАНИЦ В МОНОКРИСТАЛЛЕ БОРАТА ЖЕЛЕЗА ВЮНЖ ТОГУ. 2013. № 4(31)
ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Процедура перевода скорости из относительной величины в абсолютную достаточно трудоемкая и определяет значительную погрешность. Из-за слабого контраста невозможно сфотографировать ДГ в динамике. Однако смещение ДГ можно оценить визуально, подавая на катушки постоянное напряжение и заменив фотоаппаратом. Изменяя величину напряжения и полярность, можно построить график смещения ДГ под действием постоянного магнитного поля. Типичные фотографии изображений доменной структуры представлены на рис. 3.
'ШШмь.
' :0Ч* Ж ■ Ф /ж? ■
щ ч
т,
ш
Щт*
цш. ■
а) б)
Рис. 3. Смещение ДГ под действием постоянного магнитного поля: а) Н=0; б) Н=4,9 Э
На основании подобных фотографий и визуальных измерений были оценены смещения ДГ от начального положения (в свободном состоянии при отсутствии поля) влево и вправо. Результаты этих измерений показаны на рис. 4. Отмечается различие в поведении ДГ при ее отклонении в разных направлениях.
Рис. 4. График зависимости смещения ДГ от величины магнитного поля катушек
Была измерена амплитудно-частотная зависимость колебаний доменной границы в борате железа (рис. 5). При частотах менее 1 кГц амплитуда колебаний остается постоянной.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2013 № 4 (31)
Рис. 5. Амплитудно-частотная зависимость колебаний доменной границы в борате железа
н, э
Рис. 6. Зависимость у(Н) при/=16,07 кГц без внешнего магнитного поля
На рис. 6 представлена зависимость скорости движения ДГ от продвигающего синусоидального магнитного поля Н в пластинчатых образцах БеБ03 при разных частотах в отсутствие внешних полей. Как видно, зависимость у(Н) являются нелинейными, на них имеются интервалы магнитных полей АН, в которых скорость ДГ остается постоянной.
Также снимались зависимости скорости ДГ при наличии магнитного поля, ориентированного параллельно (рис. 7) и перпендикулярно плоскости кристалла (рис. 8).
Рис. 7. Зависимость У(Н) при/=10,14 кГц, направление внешнего магнитного поля
параллельно плоскости образца
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ДОМЕННЫХ -
ГРАНИЦ В МОНОКРИСТАЛЛЕ БОРАТА ЖЕЛЕЗА ШСТНЖ ТОГУ. 2)13. № 4(31)
ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
При обеих ориентациях этого магнитного поля скорость движения ДГ становится меньше. Также заметно смещение участков постоянства скорости: в сторону уменьшения поля при перпендикулярном поле и в сторону увеличения поля при параллельном поле.
Тем не менее, характер зависимости v(H) не меняется в зависимости от величины внешнего магнитного поля. При параллельной ориентации поля постоянного магнита увеличиваются интервалы значений H, в которых скорость движения остается неизменной. Соответственно, обратная зависимость наблюдается при направлении внешнего магнитного перпендикулярно плоскости образца.
Резкие падения скорости на графиках 7 и 8 возможно объясняются перестройкой доменной структуры в образце. Тем не менее, эти участки повторяются и при наличии внешнего магнитного поля. Для полного объяснения этих особенностей необходимо усовершенствование установки для одновременного визуального контроля за доменной структурой в образце.
Библиографические ссылки
1. Hillebrands В. Spin dynamics in Confined magnetic Structures III, Berlin, Topics in Applied Phisics, 2006, 345 р.
2. Туров Е. А., Шавров В. Г. Нарушенная симметрия и магнитоакустические эффекты в ферро- и антиферромагнетиках // УФН. - 1983. - Т. 140. - Вып. 3. - С. 429-462.
3. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е. Магнитоупругие волны в пластинках и пленках ферромагнетиков // Изв. вузов. - Физика. - 1988. - № 11. - С. 6-23.
4. Гуляев Ю.В., Дикштейн И.Е., Шавров В.Г. Поверхностные магнитоакустические волны в магнитных кристаллах в области ориентационных фазовых переходов // УФН. -1997. - Т. 167. - № 7. - С. 735-750.
5. Ожогин В. И., Преображенский В. Л. Ангармонизм смешанных мод и гигантская акустическая нелинейность антиферромагнетиков // УФН. -1988. - Т. 155. - С. 593621.
6. Барьяхтар В.Г., Иванов БА., Четкин М.В. Динамика доменных границ в слабых ферромагнетиках // УФН. - 1985. - Т. 146. - В.3. - С. 417-458.
7. Бетин АА., Жуков Е.А., Митропольский О.В. Отражение излучения С02-лазера при вырожденном четырёхволновом взаимодействии в жидкостях // Квантовая электроника. - 1985. - Т. 12. - № 9. - С. 1890-1894.
8. Иванов В.И., Ливашвили А.И., Брюханова Т.Н., Рекунова Н.Н. Пространственно-временные характеристики термоиндуцированного механизма записи рельефных динамических голограмм // Вестник ТОГУ. - 2011. - № 1. - С. 065-068.
9. Звездин А. К., Мухин А. А., Попков А. Ф. Магнитоупругие аномалии в динамике доменных границ в слабых ферромагнетиках. - М. : ФИАН СССР, 1982. - Препринт № 108. - 65 с.
10. Bayer C. Kostylev M.P., Hillebrands B. Spin-wave eigenmodes of an infinite thin film with periodically modulated exchange bias field // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 88. - No.11. -P. 112504(3).
11. Кузьменко А.П., Каминский А.В., Жуков Е.А., Филатов В.Н. Дифракция света на динамических упругих деформациях доменной границы в ортоферритах в момент преодоления звукового барьера // Физика твердого тела. - 2001. - Т. 43. - Вып. 4. - С. 666 -672
$
ВЕСТНИК ТОГУ. 2013 № 4 (31)
12. ЕА. Жуков, А.П. Кузьменко, Ю.И. Щербаков. Торможение движущейся доменной границы в слабых ферромагнетиках // ФТТ. - 2008. - Т. 50. - В. 6. - С. 1033-1036.
13. Kuz'menko A.P., Bulgakov V.K., Kaminskii A.V., Zhukov E.A., Filatov V.N., Sorokin N.Yu. Observation of domain-wall dynamic lattice distortion in rare-earth orthoferrites while overcoming the sound barrier. // J. of Magnetism and Magnetic Materials. - 2002. - V. 238. - P. 109-114.
14. Kuz'menkoA.P., KaminskiiA.V., ZhukovE.A., Filatov V.N., DobromyslovM.B. Elas-tically Induced Mechanism of Magnetization Reversal in Orthoferrites // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2003. - V. 257. - P. 327-334.
15. Kuz'menko A.P., Zhukov EA., Dobromyslov M.B. Excitation of bending vibration by a moving domain wall in a plate of yttrium orthoferrite // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2006. - V. 302. - P. 436-438.
16. Кузьменко А. П., Жуков Е. А., Щербаков Ю. И. Взаимодействие движущейся доменной границы с поверхностными магнитоупругими волнами в ортоферрите иттрия. // Журнал технической физики. - 2008. - Т. 78. - Вып. 11. - С. 45-52.
17. Е. А. Жуков, А. П. Кузьменко. Магнитоупругие волны в пластинах ортоферрита иттрия // Письма в Журнал технической физики. - 2008. - Т.34. - В. 4. - С. 58-63.
18. Жуков Е.А., Жукова В.И., Кузьменко А.П., Щербаков Ю.И. Нелинейные магни-тоакустические взаимодействия в слабых ферромагнетиках // Известия РАН, Сер. физ. -2010. - Т. 74. - № 10. - С.1426-1428.
19. Жуков Е. А., Каминский А. В., Щербаков Ю. И. Изгибные колебания пластин бората железа в магнитном поле // Вестник ТОГУ. - 2010. - № 2. - С. 47-50.
20. Жуков Е. А., Каминский А. В., Корчевский В. В. , Щербаков Ю. И., Жукова В. И. Измерение упругих и магнитоупругих констант магнитных кристаллов // Вестник ТОГУ. - 2011. - №4. - С. 95-100.
21. Жуков Е. А., Жукова В. И., Каминский А. В., Корчевский В. В., Римлянд В. И. Метод генерации, усиления и измерения параметров гиперзвуковых волн в магнитных кристаллах // Вестник ТОГУ. - 2012. - №3. - С. 17-27.
Title: Measuring Velocity of Domain Wall Motion in Iron Borate Monocrystal in External Magnetic Field
Authors' affiliation:
Adamova M. E. - Pacific national university (PNU), Khabarovsk, Russian Federation Zhukov E. A. - Pacific national university (PNU), Khabarovsk, Russian Federation Kaminsky A. V. - Pacific national university (PNU), Khabarovsk, Russian Federation Shcherbakov Yu. I. - Pacific national university (PNU), Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: The present paper deals with the experimental investigation of domain wall (DW) dynamics in iron borate single crystal under the influence of an alternating magnetic field with an external magnetic field applied in parallel and perpendicular to the sample plane. As a result, dependencies of the DW velocity for the iron borate on the driving magnetic field have been obtained. For the first time, to our knowledge, the effect of a constant magnetic field on the magnetic structure dynamics has been considered.
Keywords: iron borate, domain wall, magnetic field.
