Введение к работе
Актуальность темы. Динамика магнитных моментов наиболее ярко проявляется в явлениях ферромагнитного (ФМР) и спин-волнового (СВР) ре-зонансов. Сущность этих явлений состоит в избирательном поглощении энергии электромагнитного поля магнитоупорядоченным веществом, происходящем в результате возбуждения общих колебаний магнитной системы благодаря сильному обменному взаимодействию между атомами [].
Ферромагнитный и спин-волновой резонансы являются весьма информативными неразрушающими методами исследования вещества. С их помощью можно получить сведения о структуре и свойствах магнетиков, а также измерить их основные характеристики. Эффективным методом изучения магнитных структур является спин-волновая спектроскопия [2–].
Исследования спиновой динамики в пленках ферритов-гранатов представляют научный и практический интерес, связанный с возможностью применения данных материалов в устройствах магнетоэлектроники [2] и спин-троники [, ], и являются частью фундаментальной задачи изучения взаимодействия излучения с веществом. В связи с этим особый интерес приобретает задача экспериментальных исследований и построения теоретических моделей, позволяющих описать особенности возбуждения спиновых колебаний в пленках с различным типом и характером распределения параметров анизотропии. Вышеперечисленные факторы обуславливают активное изучение магнитных резонансов в пленках ферритов-гранатов, что отражено в многочисленных публикациях в отечественной и зарубежной литературе.
Однако несмотря на множество работ, посвященных изучению явления спин-волнового резонанса, ряд важных аспектов, особенно касающихся влияния различного типа структурных и магнитных неоднородностей пленок на резонансные характеристики, остаются неизученными. Не все экспериментальные результаты по спин-волновому резонансу в таких пленках могут быть описаны моделями, основанными на применении известных механизмов закрепления спинов. Остаются неизученными также особенности спин-волнового резонанса в пленках с однородным градиентом поля анизотропии. В связи с этим тема диссертационной работы, представляется актуальной.
Целью настоящей работы являлось изучение влияния параметров магнитных пленок с однородным градиентом поля анизотропии на спектры спин-волнового резонанса.
Решаемые в работе задачи:
-
Исследование особенностей спектров спин-волнового резонанса в пленках с однородным градиентом поля анизотропии.
-
Изучение влияния величины градиента эффективного поля анизотропии на спектры спин-волнового резонанса в пленках ферритов-гранатов.
-
Исследование влияния обменной жесткости и толщины пленок с однородным градиентом поля анизотропии на характеристики спектров спин-волнового резонанса.
-
Изучение особенностей угловых зависимостей спектров спин-волнового резонанса в магнитных пленках, обладающих ортором-бической анизотропией.
-
Построение модели, позволяющей определить параметры пленок с однородным градиентом эффективного поля анизотропии по спектрам спин-волнового резонанса.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования являлись монокристаллические магнитные пленки ферритов-гранатов, выращенные на подложках гадолиний-галлиевого граната из раствора в расплаве методом жидкофазной эпитаксии. Предмет исследования — особенности спин-волнового резонанса в пленках ферритов-гранатов, обладающих однородным градиентом поля анизотропии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлено, что, в отличие от однородных, в пленках с линейным распределением эффективного поля анизотропии по толщине спектр СВР состоит из серии высокоинтенсивных спин-волновых мод и мод с весьма малой интенсивностью.
-
Показано, что ширина спектра, т.е. интервал магнитных полей возбуждаемых высокоинтенсивных СВ-мод (или частот при постоянном внешнем магнитном поле), зависит от величины градиента эффективного поля анизотропии и толщины пленки.
-
Обнаружено, что существует некоторое «критическое» значение толщины пленки, зависящее от величины градиента эффективного поля анизотропии и обменной жесткости, ниже которой в спектре резонансного поглощения возбуждается лишь одна высокоинтенсивная (нулевая) мода.
-
Установлено, что в магнитных пленках с орторомбической анизотропией на двух из трех характерных угловых зависимостях спектра спин-волновых возбуждений всегда происходит смена области локализации нулевой моды.
-
Показано, что по резонансным полям нулевой и последней из высокоинтенсивных спин-волновых мод спектров СВР можно определить значения полей анизотропии на одной и другой поверхностях пленки.
Практическая значимость.
1. Обнаруженная специфика спектров СВР в магнитных пленках с однородным градиентом поля анизотропии может представлять интерес для разработки управляемых магнитным полем СВЧ фильтров на спиновых волнах и других устройств магнетоэлектроники.
2. Выявленная закономерность в распределении интенсивностей и резонансных полей мод спин-волнового резонанса может быть положена в основу методики определения параметров анизотропии в пленках с однородным градиентом, причем как в пленках с одноосной, так и с орторомбической анизотропией. Полученные в работе результаты имеют важное значение для расширения возможностей спин-волновой спектроскопии.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Распределение резонансных полей высокоинтенсивных СВ-мод сильно зависит от значений обменной жесткости и градиента эффективного поля анизотропии по толщине пленки.
-
Ширина спектра высокоинтенсивных СВ-мод возрастает с увеличением градиента поля анизотропии и толщины пленки, а также с уменьшением значения обменной жесткости.
-
Существует некоторое «критическое» значение толщины пленки, зависящее от величины градиента эффективного поля анизотропии и обменной жесткости, ниже которой в спектре резонансного поглощения возбуждается лишь одна высокоинтенсивная (нулевая) мода.
-
В магнитных пленках с орторомбической анизотропией на двух из трех характерных угловых зависимостях спектра спин-волновых возбуждений всегда происходит смена области локализации нулевой моды.
-
По резонансным полям нулевой и последней из высокоинтенсивных спин-волновых мод, возбуждаемых в спектре спин-волнового резонанса, можно определить значения полей анизотропии на одной и другой поверхностях пленки с однородным градиентом эффективного поля анизотропии.
Личный вклад.
Цель и задачи работы, а также основные теоретические положения разработаны совместно с научным руководителем доктором физ.-мат. наук, профессором А.М. Зюзиным. Экспериментальные и расчетные результаты получены автором самостоятельно. Анализ полученных результатов проведен вместе с научным руководителем.
Достоверность.
Результаты исследований, проведенных в работе, являются достоверными, поскольку получены с использованием корректных и проверенных методик на современном экспериментальном оборудовании, расчеты проведены с помощью апробированных методов теории спин-волнового резонанса и согласуются с экспериментальными результатами.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях: «EASTMAG–2007» (Казань, 2007), «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свой-
ства и применение» (Саранск, 2008, 2009), «НМММ–XXI» (Москва, 2009), «EASTMAG–2010» (Екатеринбург, 2010), «НМММ–XXII» (Астрахань, 2012), XIII Всероссийской школы-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2012), «Spin Waves 2013» (С. Петербург, 2013), «MDMR 2014» (Казань, 2014), «Spin Waves 2015» (С. Петербург, 2015), «MDMR 2015» (Казань, 2015), «BICMM–2016» (Иркутск, 2016).
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 21 работе: 6 статьях в периодических изданиях из перечня ВАК РФ и 15 работах в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций. Список работ приведен в заключении.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертации 109 страниц, включая 29 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 114 наименований.