Введение к работе
Актуальность темы. Изучение процессов перемагничивания магнитных материалов [1] одна из важных проблем в физике магнитных явлений, являющейся одной из больших составляющих физики конденсированных состояний. Для слабых ферромагнетиков (СФМ) на первый план, из-за аномально высоких полей опрокидывания магнитных подрешеток, выходит механизм перемагничивания, связанный с движением доменных границ (ДГ). Эти соединения обладают большим многообразием различных магнитных и динамических свойств [2], изучение которых, позволяет, например, рассматривая такой класс СФМ как редкоземельные ортоферриты (РЗО), исследовать и свойства, общие для широкого класса магнитоупорядоченных кристаллов. Особенности кристаллического и магнитного строения РЗО — RFe03 (где R-ион редкой земли), обуславливают уникальное сочетание их магнитных и оптических свойств, приводят к богатому многообразию магнитных упорядочений и к тому, что они уже в течении 40 лет являются хорошим модельным материалом [3-5]. Было обнаружено, что предельная скорость движения ДГ в них, ограниченая минимальной фазовой скоростью спиновых волн (-20-103 м/с), в несколько раз превосходит скорость звука и является наибольшей среди изученных в настоящее время магнетиков [6]. К тому же, сравнительно низкие скорости процессов перемагничивания, в применяемых на сегодняшний день магнитооптических материалах, ограничивают повышение быстродействия функциональных элементов и устройств [7]. Высокая магнитооптическая добротность делает СФМ весьма удобным объектом для магнитооптических исследований процессов намагничивания [3] и моделирования новых механизмов перемагничивания в естественной, сильно диссипативной и нелинейной среде. Разработка высокоточного
метода исследования быстропротекающих процессов перемагничивания в прозрачных СФМ в реальном масштабе времени позволила достаточно подробно экспериментально изучить процессы преодоления движущейся доменной границей звукового барьера, движение ДГ со скоростями близкими к предельным и взаимодействие ДГ с дефектами материала [6,8]. При этом, был обнаружен ряд интересных макроскопических и микроскопических нелинейных явлений. Все это обуславливает возможность использования СФМ в различных магнитооптических устройствах (модуляторах, затворах, управляемых пространственно-временных транспарантах, перестраиваемых дифракционных решетках). Так как технические характеристики многих этих устройств определяются динамическими характеристиками магнитных неоднородностей, несомненный практический интерес вызывает изучение статики и динамики СФМ с ДГ, имеющее важное как научное, так и практическое значение.
Если в ферромагнетиках статические и динамические свойства ДГ с «тонкой» структурой (например, с вертикальными блоховскими линиями (ВБЛ)) достаточно подробно изучены экспериментально и, в основном, объяснены теоретически [6,7], то в СФМ ситуация совершенно иная. Так, теоретические исследования, указывающие на возможность существования «тонкой» структуры, аналогичной ВБЛ, проведены более 25 лет назад [9], а результаты первых экспериментальных работ [10], которые могут быть интерпретированы как наблюдение динамических линий на движущейся со сверхзвуковой скоростью ДГ в ортоферрите иттрия появились совсем недавно. Следует отметить также, что в экспериментах [8,10] реализуются достаточно специфические условия, не рассмотренные ранее,теоретически. Сложность реализации и наблюдения «тонкой» структуры в РЗО, по-
видимому, связана в обычных условиях с малостью выхода векторов ферро- и антиферромагнетизма из плоскости разворота их в ДГ, под действием внешнего магнитного поля, как в статике, так и в динамике. Нет пока и теоретического описания механизма образования наблюдаемой экспериментально динамической «тонкой» структуры ДГ в РЗО.
Одним из распространенных способов, позволяющих получить информацию о свойствах реальных кристаллов, является изучение взаимодействия доменных границ с дефектами [1]. Одним из теоретических направлений исследования влияния дефектов на магнитные неоднородности является учет, в рамках термодинамической теории, возможности пространственной зависимости параметров материала. Это приводит к существенному усложнению уравнений Ландау-Лифшица для намагниченности, определяющего динамические характеристики волн намагниченности. В разнообразных физических приложениях большой интерес представляет также характер рассеяния нелинейного возбуждения солитонного типа на локальных неоднородностях параметров материала [11]. Однако, до сих пор, отсутствует, например, достаточно полное теоретическое исследование влияния даже одномерной неоднородности константы магнитной анизотропии (НКМА) на структуру, условия зарождения и характеристики магнитных неоднородностей.
Описанный выше круг проблем и задач, вытекающих из потребностей* дальнейшего развития теории, описания эксперимента и совершенствования техники позволяет сделать вывод о том, что исследование структуры, статики и динамики крупномасштабных магнитных неоднородностей в СФМ является актуальным направлением в физике конденсированного состояния и магнетизма.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование структуры, статики и динамики крупномасштабных магнитных неоднородностей в слабых ферромагнетиках, в том числе, с «тонкой» структурой, с учетом возможности динамической перестройки структуры доменных границ, нарушения лоренц-инвариантности теории и неоднородности материальных параметров.
Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые выполнены теоретические исследования:
влияния динамического скоса магнитных подрешеток на спектр объемных и внутриграничных спиновых волн РЗО;
нестационарной динамики ДГ РЗО вблизи ориентационного фазового перехода (ОФП) в ДГ и предельной скорости движения, а также в некотором интервале скоростей в окрестности скорости звука с учетом возможности динамической перестройки структуры доменных границ;
численного моделирования статической тонкой структуры доменной границы РЗО для случая произвольных значений параметров ортоферритов;
нестационарной динамики ДГ ортоферритов как с периодическими, так и с уединенными линиями в наклонном магнитном поле;
влияния обменной релаксации, анизотропии g-фактора на нестационарную динамику доменных границ с линиями редкоземельных ортоферритах при наличии внешних магнитного и электрического полей;
структуры и характеристик магнитных -> неоднородностей в ферромагнетиках и СФМ с произвольной по величине/и форме одномерной неоднородностью первой константы магнитной анизотропии;
- численного моделирования возбуждения и распространения
нелинейных волн в ферромагнетиках и СФМ с произвольной по величине и
форме неоднородностью первой константы магнитной анизотропии.
Научная и практическая ценность диссертации определяется тем, что полученные результаты представляют интерес не только для дальнейших исследований в физике конденсированного состояния, теории магнетизма и магнитных неоднородностеи в магнетиках, но и для использования их в магнитооптических устройствах, устройствах на ВБЛ. Некоторые из полученных результатов могут быть включены в монографии и учебные пособия по физике магнитных и нелинейных явлений и использованы при чтении спецкурсов по теории доменной структуры.
Положения выносимые на защиту:
1. спектр объемных и внутриграничных спиновых волн редкоземельных
ортоферритов с учетом широкого интервала параллельных оси b
магнитных полей, включая область ориентационных фазовых
»
переходов в ДГ.
-
предсказание возможности динамической перестройки структуры доменных стенок редкоземельных ортоферритов вблизи ОФП в ДГ (обусловленной динамическим скосом магнитных подрешеток в магнитном поле) и в некотором интервале скоростей в окрестности скорости звука (обусловленной ростом динамических деформаций вблизи скоростей звука).
-
расчет особенностей динамики доменных стенок в редкоземельных ортоферритах вблизи предельной скорости движения при учете в свободной энергии инвариантов, содержащих более высокие степени пространственных производных намагниченностей подрешеток.
-
результаты численного моделирования статической тонкой структуры доменной стенки для случая произвольных значений параметров ортоферритов.
-
теория динамики доменных стенок ортоферритов с периодическими и уединенными вертикальными линиями в наклонном магнитном поле.
-
расчет влияния радиационного затухания, обменной релаксации и анизотропии g-фактора на динамику доменных границ с линиями в редкоземельных ортоферритах при наличии внешних магнитного и электрического полей.
-
расчет структуры и характеристик 180- и 0-градусных ДГ в ферромагнетиках и СФМ, с произвольной по величине и форме, одномерной неоднородностью первой константы магнитной анизотропии, с учетом влияния внешнего магнитного поля.
-
результаты численного моделирования динамики ДГ, возбуждения и распространения нелинейных волн в ферромагнетиках и СФМ с произвольной по величине и форме неоднородностью константы магнитной анизотропии.
Апробация работы. Результаты диссертации представлялись и докладывались на следующих конференциях и семинарах: Всесоюзной конференция по физике магнитных явлений (Пермь 1981, Ташкент, 1991), Всесоюзной конференции «Средства памяти на цилиндрических магнитных доменах: физические свойства, характеристики и технические применения» (Москва, 1983), VIII Всесоюзном объединенном семинаре «Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) и вертикальных блоховских линиях (ВБЛ)» (Москва 1987), III Всесоюзном семинаре по функциональной магнитоэлектронике (Красноярск 1988), Всесоюзном семинаре «ЦМД/ВБЛ в системах обработки и хранения информации, доменные и магнитооптические устройства» (Москва 1989,1991), International Symposium Mashtec 90 (GDR, Dresden 1990), Всесоюзной конференции «Современные проблемы физики и ее приложений»
(Москва. 1990), Всесоюзном семинаре по микроэлектронике. (Симферополь ' 1991), Международной школе - семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Новгород 1990, Астрахань 1992, Москва 1994, 1996, 2000, 2002, 2004); 1 объединенной конференции по магнитоэлектронике (Москва 1995); Moscow International Symposium on Magnetism (Moskow 1999, 2002, 2005), Euro-Asian symposium "Trends in Magnetism", EASTMAG (Екатеринбург 2001, Красноярск 2004); Joint European Magnetic Simposia (Grenoble, France, 2001); Международном семинаре по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах (Астрахань 2003); International Conference "Functional Material" (Partenid, Ukraine, 2001, 2003, 2005); Международной зимней школе физиков-теоретиков «Коуровка»( Кунгур 2002, Челябинск 2004).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 31 статье, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и насчитывает 281 страница, включая 136 рисунков и 204 библиографические ссылки.
