Содержание к диссертации
Список сокращений и обозначений 5
Введение 9
Глава 1. Ансамбли однодоменных частиц: обзор литературы 14
-
Однодоменное состояние 14
-
Ансамбли однодоменных частиц и методы их получения .... 19
-
Уравнение движения и эффективные магнитные поля в ансамблях однодоменных частиц 22
-
Обменное поле 23
-
Поле анизотропии и магнитоупругое поле 24
-
Размагничивающее поле 26
-
Поле диполь-дипольного взаимодействия между частицами 28
-
Линейный магнитный резонанс в ансамблях однодоменных частиц 30
-
Переориентация намагниченности и нелинейный магнитный резонанс в ансамблях однодоменных частиц 33
-
Постановка задачи 37
Глава 2. Моделирование динамики намагниченности частиц в
ансамблях 39
2.1. Моделирование динамики намагниченности свободных частиц . 39
-
Уравнение движения 39
-
Определение эффективных полей 40
-
Численные методы моделирования динамики намагниченности 41
-
Моделирование динамики отдельных взаимодействующих частиц 42
-
Аппроксимация ансамбля частиц сплошной средой 42
-
Моделирование динамики намагниченности ансамбля частиц
как сплошной среды 47
Глава 3. Динамика свободных частиц и явление высокочастот
ной переориентации 50
-
Уравнение движения намагниченности 50
-
Численный анализ и обсуждение результатов 52
-
Электромагнитный отклик ферромагнитной однодоменной частицы 57
-
Отклик ансамбля частиц на импульс поля 58
-
О возможности записи и считывания информации на основе ФМР 61
-
Тонкая структура порога переориентации 63
-
Выводы по главе 3 67
Глава 4. Магнитная переориентация однодоменных антиферро
магнитных частиц 69
-
Основные уравнения 69
-
Результаты численных расчетов 72
-
Особенности нелинейной динамики магнитных колебаний .... 75
-
Выводы к главе 4 76
Глава 5. Динамика взаимодействующих частиц: явление изме
нения магнитной структуры 78
-
Основные уравнения 78
-
Изменение магнитной структуры ансамблей частиц 80
-
Порог изменения магнитной структуры 81
-
Изменения отклика от ансамбля взаимодействующих частиц . . 83
-
Выводы по главе 5 98
Глава 6. ФМР в металл-диэлектрических плёнках 99
-
Характеристика и свойства ферромагнитных частиц в диэлектрической матрице 99
-
Аппроксимация сплошной средой и основные уравнения .... 101
-
Экспериментальные данные по ФМР в нанокомпозитных плёнкахЮЗ
-
Положение и ширина линии ФМР: теоретическое объяснение . . 105
-
О возможности изменения магнитной структуры металл-диэлектрических плёнок 111
-
Выводы по главе 6 120
Заключение 121
Литература 123
Авторский список 141
Список сокращений и обозначений
АС СССР - Авторское свидетельство СССР
БПФ - Быстрое преобразование Фурье
ВНКСФ - Всероссийская научная конференции студентов-физиков и молодых ученых
ГЦК - гране-центрированная кубическая (тип решётки)
ДАН - Доклады академии наук
ЕФМР - Естественный ферромагнитный резонанс
ЖТФ - Журнал технической физики
ЖЭТФ - Журнал экспериментальной и теоретической физики
Изв. АН СССР, сер. физ. - Известия АН СССР, серия физическая
MAP - магнето-акустический резонанс
ОЛН - ось лёгкого намагничивания
ОЦК - объемно-центрированная кубическая (тип решётки)
ОТН - ось трудного намагничивания
СВЧ - сверхвысокие частоты
СОЖ - Соровский образовательный журнал
УФН - Успехи физических наук
ФМР - Ферромагнитный резонанс
ФТТ - Физика твердого тела
ЯГР - ядерный гамма-резонанс
Ann. geophys - Annales de Geophysique
Appl. Phys. Lett. - Applied Physics Letters
Compt. Rend. Acad. Sci. - Comptes Rendus: Hebdomadaires des seances l'academie des scinces
IBM J. Res. and Dev. - IBM Journal of Research and Development
IEEE Trans. Magn. - IEEE Transaction on Magnetics
J. Appl. Phys. - Journal of Applied Physics
J. Catalysis - Journal of Catalysis
JMMM - Journal of Magnetism and Magnetic Materials
J. Phys. and Chem. Sol. - Journal of Physics and Chemistry of Solids
J. Phys. Chem. - Journal of Physical Chemistry
J. Phys. D: Appl. Phys. - Journal Physics D: Applied Physics
J. Phys. Soc. Japan -Journal of the Physical Society of Japan
MISM - Moscow International Symposium on Magnetism
Nature Mater. - Nature Materials
Phil. Trans. Roy. Soc. - Philosophical Transactions of the Royal Society
Phys. Rev. - Physical Review
7 Phys. Rev. Lett. - Physical Review Letters
Proc. Phys. Soc. A - Proceedings of the Physical Society. Section A
Sol. State Commun. - Solid State Communications
Л - параметр обменного поля
ех, еу, ez - единичные орты декартовой прямоугольной системы координат
J - обменный интеграл
Heff - эффективное поле
Hlft - приведенное эффективное поле
кь - постоянная Больцмана
| - волновой вектор при преобразовании Фурье и его модуль М - вектор намагниченности Мі - вектор намагниченности г-той подрешётки
М = \М|, Ms - намагниченность насыщения при ненулевой температуре Mq - намагниченность насыщения при Т = О Му - намагниченность ансамбля частиц, усредненная по объему 771 = М/М - вектор направляющих косинусов намагниченности N - тензор размагничивающих коэффициентов Rc - критический радиус однодоменности Тс - температура Кюри
8 t* - приведённое время
7 - гиромагнитное отношение
и* - приведённая частота
ujres - резонансная частота
ujr - частота релаксации
ujq - собственная (киттелевская) частота прецессии намагниченности
Введение к работе
Проблема исследования нелинейной высокочастотной динамики намагниченности однодоменных частиц в ансамблях является актуальной задачей физики магнитных явлений. Задачи записи и считывания информации на различные носители, особенно магнитные, давно стоят перед физиками и инженерами. До сих пор не найдено альтернативы такому носителю информации, как магнитная лента [1,2]. Это побуждает все больше исследователей искать все новые методы записи и считывания и новые носители информации. В случае магнитных носителей очень часто вначале производятся теоретические разработки новых носителей, а затем уже их экспериментальное воплощение [2-4]. Эти теоретические исследования практически всегда используют компьютер, как инструмент численного эксперимента. Другими словами, исследования с помощью компьютера процессов перемагничивания и поведения намагниченности магнитных материалов со временем очень актуальны, так как устройства памяти, сенсоры, элементы, считывающие информацию, разрабатываются пока на базе магнитных объектов и электронных устройств. Лишь недавно появились сообщения о создании новых вычислительных устройств и памяти с использованием лазера в качестве носителя сигнала внутри процессора и памяти [5].
Современные энергонезависимые магнитные накопители информации характеризуются очень большой плотностью записи и малым временем доступа, причем с каждым годом эти характеристики улучшаются. Однако уменьшение времени доступа рано или поздно должно достигнуть своего предела, поскольку в современных накопителях для выборки информации используются механические системы: движущиеся головки и вращающиеся диски. Одним из альтернативных накопителей с очень малым временем доступа может быть накопитель, основанный на импульсной высокочастотной записи. Однако объём хранимой информации для них на сегодняшний день невелик и составляет примерно 103 — 104 бит при объеме магнитного носителя 0.3 см3 [6]. Существуют так же разработки носителей информации, основанных на эффекте фотонного эха [7].
Другим альтернативным носителем информации может служить ансамбль ориентированных однодоменных ферромагнитных или ферритовых частиц, информация в которых хранится в виде ориентации вектора намагниченности частиц, резонансные частоты которых находится в определенном, достаточно узком интервале [8].
Цели и задачи настоящего исследования
Данная работа посвящена исследованию магнитной переориентации отдельных однодоменных частиц и отклика от ансамблей ориентированных однодоменных ферромагнитных, ферритовых и антиферромагнитных частиц из материала, обладающего кубической анизотропией. Цель данной работы -исследование высокочастотных линейных и нелинейных магнитных свойств систем ориентированных однодоменных магнитных частиц в немагнитных матрицах. Для этого поставлен ряд задач:
1. Выявить влияние различных факторов на величину и спектр электромагнитного отклик от ансамбля ориентированных частиц на импульс поля;
Путем моделирования динамики намагниченности однодоменной частицы, выявить возможности высокочастотной переориентации однодоменной частицы;
Выявить различные типы возможностей изменения магнитной структуры ансамблей частиц и методы их регистрации;
Разработать метод расчета линейной и нелинейной динамики намагниченности крупных ансамблей взаимодействующих частиц - метод аппроксимации сплошной средой;
Выявить перспективы внедрения носителей информации, основанных на частотном принципе записи-считывания.
Научная новизна работы
Впервые сделана попытка рассмотрения нелинейной динамики намагниченности частиц в ансамблях как свободных, так и различным образом взаимодействующих однодоменных магнитных частиц. Впервые показана возможность записи информации на ансамбли невзаимодействующих однодоменных частиц импульсами переменного магнитного поля. Предложен метод аппроксимации сплошной средой, который позволил объяснить наблюдаемые особенности формы линий ферромагнитного резонансного поглощения в металл-диэлектрических плёнках.
Научная и практическая значимость работы
Полученные результаты являются качественно новыми и вносят существенный вклад в формирование современных представлений о физике малых частиц и их ансамблей. Полученные результаты могут быть использованы как при теоретических, так и при практических исследованиях магнитных свойств мелкодисперсных магнетиков. С практической точки зрения следует отметить тот факт, что в данной работе рассмотрены перспективы использования ансамблей однодоменных частиц в качестве носителя информации с частотным принципом записи-считывания. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при создании различных программируемых фильтров, а также устройств СВЧ- и микроэлектроники.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на Пятой и Шестой Всероссийских научных конференциях студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2001 и 2002), на 18-той Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2002), на 30-той и 31-ой Международной школе физиков-теоретиков «Коуровка» (Кыштым, 2004 и 2006), на Молодёжной научной конференции памяти Фролова (Сыктывкар, 2004), на 15-той Коми республиканской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 2004), на 2-ой Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2004), на заседании секции «Магнетизм» Научного Совета РАН по физике конденсированных сред (Москва, 2004), на 3-ем Московском Международном Симпозиуме по Магнетизму (Москва, 2005), на Февральских чтениях (Сыктывкар, 2004, 2005 и 2006) и на научных семинарах кафедры радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета.
Отдельные части работы выполнены при поддержке различных грантов: грант КЦФЕ 2002 года для молодых ученых студентов и аспирантов №М02-2.4Д-92; грант КЦФЕ 2003 года для молодых ученых студентов и аспирантов
13 М103-2.4Д-38; грант Федерального агентства по образованию 2004 года для поддержки научных исследований аспирантов №А04-2.9-146; грант РФФИ №06-02-17302.
Публикации
Результаты работы опубликованы в 2 статьях в центральных переводных журналах, в одной статье в Вестнике Сыктывкарского университета, в 7 статьях в материалах российских и международных конференций, в 14 тезисах российских и международных конференций и в 2 аннотациях по грантам.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитированной литературы и авторского списка. Работа изложена на 145 страницах. Список литературы содержит 139 наименований.
Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета.
