Введение к работе
Актуальность темы. Изучение волновых процессов занимает в твердотельной электронике одно из ключевых мест в связи с широким использованием волн (электромагнитных, спиновых, плазменных и пр.) для передачи информации. Современная тенденция состоит в предъявлении к устройствам обработки информации не только традиционных требований микроминиатюризации и совместимости с планарной технологией больших интегральных схем, но и таких качеств, как полифункциональность, управляемость и высокая адаптационная способность к изменениям условий эксплуатации. Примеры технических решений данного комплекса вопросов в спин-волновой электронике, СВЧ-магнитоакустике и акустоэлектронике твердого тела можно найти в многочисленных монографиях, обзорах и статьях.
Принципы управления устройствами обработки информации основываются на нелинейных или параметрических эффектах взаимодействия связанных мод при разнообразных способах внешнего воздействия на передаточный тракт сигнала. Например, в спин-волновой электронике и СВЧ-магнитоакустике твердого тела для этого применяют предложенное Шлёманом [1] внешнее подмагничивание полями заданной неоднородной конфигурации. Заслуживает также внимания способ управления, основанный на перестройке доменной структуры активных кристаллов, в которых возможно взаимодействие мод различной физической природы с колебаниями решетки. В этой связи исследования волновых процессов в полидоменных образцах, предпринимавшиеся ранее исключительно в целях их спектроскопии, приобретают в спин-волновой электронике и акустоэлектронике практическую значимость.
Подавляющее большинство работ по взаимодействию магнитостатических и акустических волн с доменными границами в активных кристаллах относится к случаю фиксированной (не изменяющейся со временем) доменной структуры [2-4]. Соответствующие результаты поэтому могут быть востребованы при конструировании управляемых устройств обработки информации только с раздельными рабочим режимом и режимом регулировки.
Дальнейший прогресс, видимо, следует связывать с появлением работ, посвященных оценке влияния внешних факторов на доменную структуру ферромагнетиков и сегнетоэлектриков и выявлению внутренних механизмов ее саморегулирования. Несмотря на значительные трудности, здесь следует ожидать «ноу – хау» в отношении поиска наиболее контролируемых и воспроизводимых режимов движения доменных границ (ДГ). Отдельного внимания заслуживают эффекты взаимодействия магнитостатических и акустических волн с границами вакуумного зазора между двумя активными кристаллами с относительным продольным перемещением (ОПП). Помимо теоретических аспектов, интерес к такой структуре был ранее продиктован, в первую очередь, возможностью бесконтактного возбуждения или измерения акустических волн в активных кристаллах. Однако, во всех работах кристаллы полагались статичными [5-7]. Учет относительного продольного движения кристаллов может привести к ряду любопытных эффектов (замедление щелевых волн, "включение" дополнительной ветви рефракции волн щелевой структурой, усиление отраженной волны по механизму обращения волнового фронта и т.д.). Расширяя представления о теоретических явлениях в щелевых структурах, эффекты относительного движения активных кристаллов могут быть использованы при конструировании микромеханических устройств, датчиков скорости/ускорения, перемещения и т.д. На основании выше сказанного можно прийти к заключению об актуальности изучения спиноволновых и акустических эффектов в условиях заданного движения ДГ и движения границ активных кристаллов.
Цель работы - исследование взаимодействия магнитостатических и акустических сдвиговых волн в активных кристаллах с системой движущейся ДГ и границами щелевой структуры активных кристаллов с относительным продольным перемещением. Акустическим и магнитостатическим волнам при этом отводится роль внешней гармонической накачки френелевского типа (рефракционное взаимодействия) или виртуальной волны - собственной моды колебаний, удерживаемой движущейся ДГ или границами относительно движущихся кристаллов. В последнем случае эти взаимодействия выступают как эффекты параметрического преобразования собственной моды колебаний.
В диссертации в качестве активных сред рассматриваются, в основном магнитоупорядоченные кристаллы. Из магнитоупорядоченных кристаллов выбраны кубические ферромагнетики, причем, основное внимание уделено семейству феррогранатов. Дополнительно рассмотрены также пьезо- и сегнетоэлектрики – кристаллы гексагональной и тетрагональной систем классов 6, 6mm, 4, 4mm, например, CdS, ZnO, LiIO3, BaTiO3 и др. К этой же группе принадлежат многочисленные пьезокерамики класса симметрии m.
В задачи исследования вошли:
Оценка влияния движения доменных границ в кубическом ферромагнетике на отражение и прохождение акустических сдвиговых волн с учетом резонансной реакцией полей приграничных магнитостатических колебаний.
Анализ возможности удержания поверхностных акустических и магнитостатических волн движущимися ДГ в ферромагнетике.
Выявление особенностей акусто- и спин-доменных взаимодействий при наличии движения периодичной решетки 180-градусных доменных стенок в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках.
Оценка влияния продольного перемещения ферромагнитных кристаллов на туннелирование магнитоупругих сдвиговых волн через разделяющий вакуумный зазор между активными кристаллами.
Изучение спектральных свойств щелевых магнитостатических и электрозвуковых волн в зазоре относительно перемещающихся кристаллов с соответствующим типом активности.
Оценка перспектив практического использования эффектов акустических и спинволновых эффектов при относительном перемещении ферромагнитных кристаллов и движении доменных границ.
Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что впервые рассмотрено поведение магнитоупругих, магнитостатических и электрозвуковых волн в кристаллах соответствующего типа активности в условиях их однородной нестационарности из-за движения доменных границ или (для щелевых структур) взаимного продольного перемещения. Конкретно научная новизна результатов состоит
- в описании аномалий рефракционного акустодоменного взаимодействия в условиях равномерного движения одиночной 180-градусной доменной границы ферромагнетика;
- в обосновании существования особой разновидности поверхностных сдвиговых и магнитостатических волн неколлинеарного типа на движущейся доменной границе ферромагнетика;
- в установлении вклада продвигающего магнитного поля в эффектах акустодоменного взаимодействия в ферромагнетике;
- в предсказании доплеровской невзаимности распространения волн в динамических сверхрешетках активных кристаллов, выраженной парным расщеплением спектров мод на высокочастотную и низкочастотную дисперсионные ветви под влиянием движения доменных границ;
- в выявлении существенной зависимости полного отражения и прохождения сдвиговых волн от скорости движения системы доменных стенок сегнетоэлектрического кристалла;
- в оценке влияния относительного продольного перемещения кристаллов ферромагнетиков, разделенных вакуумным зазором, на эффективность туннелирования через зазор магнитоупругой сдвиговой волны;
- в установлении управляющей роли ОПП ферромагнитных (пьезоэлектрических) кристаллов на спектральные свойства щелевых магнитостатических (электрозвуковых) волн.
Достоверность результатов диссертационной работы основывается на использовании общепринятых моделей распространения акустических и магнитостатических волн в кристаллах с пьезо- и магнитоактивностью при стандартной формулировке граничных условий и применении известных методик расчета волновых полей. Она подтверждается во всех исследуемых задачах переходом к ранее изученным частным случаям и публикацией материалов в рецензируемых журналах. Материалы диссертации обсуждались на научных конференциях и семинарах.
Практическая значимость результатов. Сферой практического приложения результатов диссертации может быть разработка сигнальных устройств на основе доплеровских аберрационных эффектов в кристаллах с движущимися ДГ и трансляционного переноса акустических и магнитостатических поверхностных волн движущимися ДГ или межфазными границами. Кроме этого, эффекты, рассмотренные в диссертации, могут быть использованы для непрерывного контроля состояния доменной структуры уже существующих устройств «доменной» электроники, в которых рабочий режим и режим регулировки доменной структуры разнесены во времени. Для акустической спектроскопии полидоменных сегнетоэлектриков и ферромагнетиков практическое значение результатов определяется дополнительной возможностью экспериментального изучения, основанной на использовании эффектов индуцированной движением ДГ акустической невзаимности. В перспективе, требующей однако дополнительных исследований, возможно практическое использование эффектов индуцированной акустической невзаимности в сочетании с доплеровским преобразованием частоты для разработки датчиков и акустоэлектронных устройств преобразования информации с регулируемым частотным выходом. Впервые предсказанные эффекты взаимодействия магнитостатических и акустических волн с границами щелевых структур активных кристаллов с относительным продольным перемещением помимо расширения теоретических представлений о явлениях в таких структурах, могут быть использованы в микромеханических устройствах и датчиках скорости/ускорения, перемещения.
Положения, выносимые на защиту:
-
При удалении ДГ ферромагнетика с околозвуковой скоростью (тупые углы рефракции) существует безотражательное двулучепреломление падающей акустической волны.
-
Проявляющая граничный характер магнитная нелинейность ферромагнетика вносит в условиях ферромагнитного резонанса сопоставимый рефракционный вклад во взаимодействие акустической волны с движущейся ДГ.
-
Движение ДГ, удерживающей поверхностную магнитостатическую или магнитоупругую волну, обуславливает ее неколлинеарность (выход волновой нормали из плоскости ДГ с отклонением в сторону движения) и из-за структурных изменений (снижение степени локализации, доплеровский прирост частоты) приводит к повышению энергии волны, биению ее магнитостатических колебаний и существенному преобразованию дисперсионных свойств.
-
Нерезонансное акустодоменное взаимодействие в ферромагнетике с системой движущихся ДГ (динамическая сверхрешетка) аналогично акустодоменному взаимодействию в сверхрешетке движущихся ДГ сегнетоэлектрика и проявляется для мод объемного распространения доплеровски наведенной невзаимностью из-за парного расщепления спектров статичной сверхрешетки.
-
Движение пакета ДГ сегнетоэлектрика (ферромагнетика в нерезонансной области) позволяет эффективно управлять френелевским отражением (прохождением) наклонно падающей акустической волны, сопровождающимся доплеровским преобразованием спектра.
-
Движение ДГ сверхрешетки сегнетоэлектрика обуславливает внутризонное расщепление спектров мод парциальных (блоховских) граничных электрозвуковых волн на пары, которые при инверсии скорости ДГ переставляются местами, что обеспечивает по каждой паре расщепленных спектров взаимность распространения.
-
Существует возможность эффективного управления туннелированием акустических волн через зазор ферромагнетиков за счет их относительного продольного перемещения и проявление сверхотражения механической относительности по механизму обращения волнового фронта в результате подключения дополнительной ветви рефракции.
-
Относительное продольное перемещение пьезоэлектриков/ферромагнетиков щелевых структур вызывает невзаимность распространения волн. В частности, попутное (встречное) относительное перемещение кристаллов повышает (снижает) фазовую скорость мод щелевых электрозвуковых и магнитостатических волн.
.
Личный вклад автора в получении результатов диссертационной работы был определяющим и состоял в выводе общих решений граничных задач, составлении программ, выполнении численных расчетов на ПЭВМ, анализе и обсуждении результатов совместно с научными руководителями (консультантами), д.ф-м.н. Н.С. Шевяховым и д.ф.-м.н., профессором В.Г. Шавровым. В большинстве научных работ, опубликованных в соавторстве, Е.А. Вилкову принадлежит постановка задач. Самостоятельность в выполнении работ и значительный личный вклад Е.А.Вилкова подтверждается тем, что из 25 рецензируемых статей 9 статей были опубликованы без соавторов, а 2 работы были опубликованы в соавторстве с аспирантом А.В. Моисеевым. При выполнении всех работ консультативную поддержку оказывали д.ф-м.н. Н.С. Шевяхов и д.ф-м.н. В.Г. Шавров.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:
Международный симпозиум по магнетизму MISM (Москва, 1999, 2005, 2008, 2011); Вторая объединенная (международная) конференции по магнитоэлектронике (Екатеринбург, 2000); XVII Всероссийская школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2000)Ж VI (Москва, 1997), VIII (Н. Новгород, 1998) и X (Москва, 2000), XV (Н.Новогород, 2004), XXII (Москва, 2010) сессии Российского Акустического Общества; VII (Cамара, 2008), IV (Н.Новгород, 2005), VII (Самара, 2008), IX (Челябинск, 2010) Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»; Всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций памяти проф. А.И.Весницкого, Н.Новгород, (2004); II, III, IV (Саратов, 2007, 2008, 2009) конференции «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» молодых ученых; ежегодная школа-семинар «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (Ульяновск, 1998 – 2009); итоговые научно-практические конференции Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 1998 ,1999, 2006, 2007); семинары Ульяновского филиала ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.
Публикации. Полнота изложения материалов диссертации в публикациях характеризуется следующими показателями. Общий объем опубликованных по теме диссертации работ составил: 332 мп. стр.. Основные результаты опубликованы в 42 научных работах, в том числе обзорная глава в книге "Ferroelectrics" (изд-во: InTech). 25 статей в реферируемых отечественных (22) и зарубежных (3) журналах, из них 21 публикация в журналах и изданиях из списка Высшей аттестационной комиссиии; 17 публикаций размещены в сборниках трудов отечественных и международных конференций и симпозиумов (список приводится в конце автореферата).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы из 271 наименований. Она содержит 299 страниц текста, включая 136 рисунков, 1 таблицу, оглавление и список литературы.
