Введение к работе
Актуальность проблемы
В последние годы в физике твердого тела получили развитие новые направления, в которых основными объектами изучения являются мелкие частицы субатомного размера, гетер о структуры, наноструктуры, кластеры, тонкие пленки и другие низкоразмерные системы1. Причина возникновения этих направлений состоит, во-первых, в том, что появившиеся новые возможности исследования вещества на субатомном уровне (сканирующая электронная микроскопия и тому подобные средства2) позволили приступить к исследованиям материалов на мезоскопическом уровне. Во-вторых, они вызваны потребностями современной техники в получении новых материалов, прежде всего материалов для электроники и приборостроения.
Построение атомно-молекулярной теории позволило объяснить качественные закономерности строения вещества, однако попытка количественного описания экспериментальных данных наталкивается на подчас непреодолимые трудности, которые вызывают необходимость введения^мпириче-ских коэффициентов, учитывающих реальную структуру макреобъектов. Появляется все больше и больше свидетельств того, что на пути разработки и создания теории строения вещества "пропущена" стадия более крупных, надмолекулярных, образований (конгломератов), которые ответственны за наблюдаемые макрофизические характеристики вещества3. Существование конгломератов является скорее правилом, чем исключением4. В связи с этим в печати появляется большое число статей, посвященных исследованиям мелких частиц, кластеров, агрегатов мелких частиц и их роли в объяснении наблюдаемых свойств вещества.
1 Смотрите, например, Программу и тезисы докладов 2-ой Международной конфе
ренции по низкоразмерным стукрурам (2nd International Conference "Physics of low-
dimensional structures (Surfaces, Overlayers, Interfaces, Heterostructures, Nanostruc-
tures, Clusters)". Dubna, 18-22 September, 1995. RUSSIA)
2 Abstracts of second International conference on nanometer scale science and technol
ogy NANO-2, Moscow, 1993.
3И.Д.Фролов Физико-химические основы кластерной динамики. Горький,
Горьк.ГУ - 1984. 24 с; S.Bjornholm Clusters, condensed matter in embrionic form Con
temporary Physics, 1990, v. 31, n.5, p. 309-324; Max Seel Atomic Clusters and Cluster
Models in Solid State Physics International Journal of Quantum Chemistry, 1988, v.22,
p.265-274. >
4Я.И.Френкель Яикеттіческая теория жидкостей. М.-Л.: Из-во АН СССР, 1945, с.287-292; Ю.И.Петров Физика малых частиц. М.:Наука, 1982; Ю.И.Петров Кластеры и малые частицы. М.Наува, 1986.
Не меньшее значение имеют исследования этих объектов для получения новых материалов современной техники5. Недавние исследования, использующие для получения нано-объектов суперионное напыление, агрегацию в газовой фазе, коллоидальные и химико-синтетические методы, помогли твердо установить, что кластеры промежуточных размеров (от 1 до 100 нм) имеют новые гибридные свойства, находящиеся между молекулярными и объёмными твердотельными пределами. В связи с этим возникают задачи получения новых кластерных материалов и разработки методов контроля их качества. Особо следует сказать о материалах для электроники. В I960 году типичная ширина линии в интегральных схемах составляла 30 мкм. В настоящее время ширина линии как правило составляет 1 мкм, а в опытных образцах достигает 0,1 мкм. Значительное разьитие получает магнитоэлектроника — новая прикладная область физики твердого тела, лежащая на стыке между физикой магнетизма и физикой электронных свойств материи6.
Таким образом, исследования электрических и магнитных свойств мелких частиц и их агрегатов актуальны как с точки зрения фундаментальных исследований, так и прикладных. Во многих случаях эти объекты можно рассматривать'как конечномерные системы диполей (магнитных или электрических). При этом оказывается, что диполь-дипольное взаимодействие приводит к формированию структур с замкнутым потоком, которые описываются тороидными моментами. Такие структуры еще мало изучены, как и вообще вся эта новая область физики твердого тела.
Цели и задачи работы
Многие физические системы, имеющие как природное, так и искусственное происхождение могут рассматриваться как конечномерные ди-польные системы, то есть системы состоящие из конечного числа диполей или как распределения диполей в конечной области пространства. К таким системам относятся, прежде всего, мелкие частицы различных мате-
5Смотрите, например, выпуск журнала Scientific American, 1986 (русский перевод : В мире науки, декабрь, 1986), а такте статьи : R.P.Andres, R.S.Averback, et al. Research opportunities on clutters and cluster-assembled^materials J.Mater. Res. 1989, V.4, No.3, p.704-736; W.Andeoni, O.Echt The Physics of Small Clusters : Recent Advances in the Theoretical and Experimental Approach Europhys.News, 1989, V.20, p.151-154
6 Смотрите специальный выпуск журнала Physics Today, April, 1995, в котором опубликованы следующие статьи : J.L.Simonds Magneto-electronics today and tomorrow, p.26-32; E.Dan Dahlberg, J.g.Zhu Micro-magnetic Microscopy and Modeling p.34-40; G.A.Prinz Spin-Polarized Transport p.58-63 и другие
риалов и их агрегаты, имеющие размеры от 1 до 100 нм, а именно :
наполнители магнитных композитных материалов и тонкие магнитные пленки, применяемые для высокоплотной магнитной записи информации;
агрегаты магнитных частиц в магнитных жидкостях;
—' однодоменные частицы магнитных материалов — ферро-, антифер-ро-, ферри-, спери- и других магнетиков;
отдельные молекулы, особенно молекулы органического происхождения, кластеры из молекул, содержащих полярные группы типа группы ОН;
частицы аромагнетиков (аромагнетизм — недавно открытое новое свойство кристаллов некоторых органических соединений — их взаимодействие с магнитным полем, при отсутствии явных магнитных свойств);
спиновые подсистемы молекул в образцах молекулярных кристаллов.
Основная цель данной работы состоит в том, чтобы : исследовать мультипольную структуру пространственного распределения диполей в указанных материалах; выяснить условия ее формирования и изменения под действием внешних полей; установить принципы наблюдения и макрофи-зические проявления новых параметров порядка (тороидных моментов).
В связи с этим возникают следующие задачи :
построение квазистатической электродинамики конечномерной ди-; польной системы с учетом электрических и магнитных тороидных моментов, включая вычисление создаваемых ими полей и разработку принципов измерения тороидных моментов;
выяснение особенностей мультипольного описания конечномерных дипольных систем, введение независимых параметров состояния, описывающих взаимодействие систем между собой и с внешними полями;
разработка алгоритмов расчета формы и дипольного состояния агрегата дипольных частиц, учет влияния диполь-дипольного взаимодействия на форму агрегата дипольных частиц;
решение задачи перемагничения агрегата из ферромагнитных частиц внешним неоднородным полем; доказательство перспективности использования тороидного принципа для высокоплотной записи информации;
вычисление мультипольних моментов мелких частиц антиферромагнетиков, доказательсгво того, что большинство из них могут быть описаны магнитным квадрупольным и тороидным моментами;
исследование свойств мелких частиц аромагнетиков, магнитные свойства которых были обнаружены экспериментально, построение принципов теории происхождения аромагнетизма;
исследование агрегатов магнитных частиц, взвешенных в какой-либо жидкости (магнитной суспензии), исследование процесса образования агрегатов и методов их регистрации по магнитным и кинетическим параметрам суспензии (магнитной и тороидной восприимчивости, теплопроводности, вязкости);
разработка теории формирования мультипольного отклика спиновой системы молекулярного кристалла, выяснение условий возбуждения и наблюдения тороидной поляризации спиновой системы.
Научная новизна результатов работы
К конечномерным дипольними системами относится широкий класс физических объектов : агрегаты ферромагнитных частиц в твердых композитах и в ферромагнитных суспензиях, тонкопленочные ячейки магнитной памяти, образцы антиферромагнитных материалов, сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики, так называемые аромагнетики, а также спиновые подсистемы ядер в молекулах и другие объекты. Как оказалось, в большинстве этих систем пространственные распределения диполей неоднородны, а потому их следует описывать, кроме суммарного дипольного момента, также и тороидным моментом (магнитным или электрическим). В работе показано, что измерение новых для этих систем физических величин — тороидного момента, тороидной восприимчивости, а также перекрестной восприимчивости, дает ценную информацию о распределении диполей и о внутреннем состоянии системы.
В работе развиты основные представления электродинамики тороидных моментов, включая новый вывод квазистатических полей конечномерной дипольной системы, подробно рассмотрены способы измерения тороидных моментов, даны сравнения внешних проявлений всех четырех векторных моментов (двух дипольных и двух тороидных). Показано, что описание конечномерной системы диполей требует конечного числа независимых мультипольних моментов. Развита общая теория тороидной восприимчивости.
Конкретными системами, расмотренными в работе являются :
-
композиты агрегатов магнитных частиц, которые находят применение как среды для высокоплотной магнитной записи информации. В работе впервые теоретически обоснован принцип тороидной записи информации: введено понятие о тороидном гистерезисе, найдены способы влияния на величину коэрцетивного вихревого поля, предложены физические принципы записи и считывания информации;
-
образцы кристаллических антиферромагнетиков, которые, как ока-
залось, при определенной ориентации атомных плоскостей, по которым вырезан кристалл, обладают тороидными или магнитными квадрупольными моментами. Показано, что независимая область трансляционно периодической структуры кристалла для данного образца определяет) то, какими мультипольными моментами он обладает. Рассмотрено большое количество примеров антиферромагнетиков. Показано, что температура Нееля должна проявляться как особенность тороидной восприимчивости;
-
новый класс молекулярных кристаллов с необычными магнитными свойствами (аромагнетиков), недавно открытых экспериментально. В работе впервые предложено объяснение природы аромагнетизма, обоснованное квантовохимическим расчетами молекул, а также оценкой температуры упорядочения. Показано, что аромагнетизм имеет тороидное происхождение. Предсказан "аромагнетизм" других молекулярных кристаллов; ,
-
рассмотрены свойства агрегированных магнитных суспензий, включая вычисление тороидной восприимчивости, учет эффекта старения суспензии вследствие ее агрегирования. Предложена новая модель Кюри-Вейссовского поведения магнитной восприимчивости суспензии и показано, что главная особенность температурной зависимости восприимчивости зависит от формы агрегатов. Рассмотрено влияние внешних полей на кинетические процессы в агрегированной суспензии, включая процессы : теплопроводности; вязкого трения (объемная "магнитная" вязкость); релаксации мультипольних моментов, которая приводит к дисперсии восприимчивости;
-
Впервые показано, что при наблюдении отклика ядерной спиновой системы на внешнее переменное магнитное поле формируется тороидный момент. Подробно исследованы условия формирования торридного отклика, его зависимость от формы молекул, от характера взаимодействия между спинами. Конкретные расчеты проводились на примере молекулярных кристаллов органического происхояодения Приведены данные о новых правилах отбора, зависимости интенсивности спектральных линий от геометрии молекул, дана оценка сигнала тороидного отклика при'им-пульсном воздействии переменного магнитного поля. Построена общая теория магнитно-тороидного отклика для системы N взаимодействующих спинов, определена перекрестная магнитно-тороидная восприимчивость, поглощаемая мощность переменного поля и предложена принципиальная схема устройства для регистрации сигнала тороидного отклика.
Научно-практическая ценность работы
Показано, что существенные новые сведения о внутренней структуре многих рассмотренных в работе физических объектов — мелких частиц различных материалов или агрегатов из этих частиц — можно получить на основании измерений тороидных моментов и тороидной восприимчивости. Предложены методы измерения этих новых величин, даны принципиальные схемы измерительных устройств и оценка величины наблюдаемых величин.
Разработаны физические принципы тороидной записи и чтения информации, предложена схема устройства чтения-записи; показано, что запись информации на тороидных носителях в принципе может обеспечить плотность записи до 100 Гбит на кв. дм., недостижимую по физическим причинам для магните-дипольной записи.
Показана возможность контроля качества магнитной суспензии путем измерения тороидной восприимчивости. Впервые вычислена теплопроводность, объемная вязкость и дисперсия восприимчивости агрегированной магнитной суспензии. Показано, что Кюри-Вейссовское поведение суспензии обусловлено фазовым переходом в упорядоченное состояние внутренней магнитной структуры агрегатов, а характер особенности восприимчивости определяется формой агрегата.
Впервые предложено и обосновано происхождение нового явления — аромагнетизма.
Разработан новый способ возбуждения ядерного магнитного резонанса в молекулярных кристаллах с помощью вихревого магнитного поля. Показано, что это дает возможность наблюдать переходы, запрещенные в обычном резонансе, а интенсивности линий резонанса, возбуждаемого таким способом, сильно зависят от формы молекулы.
Обоснована возможность и указаны условия возбуждения перекрестного отклика, когда ядерная система спинов возбуждается переменным однородным полем, а наблюдается тороидный момент системы. Дана оценка наблюдаемых сигналов, предложена принципиальная схема устройства для наблюдения тороидного отклика.
Положения, выносимые на защиту
— Мультипольные разложения полей, создаваемых распределениями электрических и магнитных диполей в квазистатическом пределе (на основе формул Ефименко); потенциалы и поля тороидных моментов (в том числе
векторный потенциал электрического поля), выражения для энергии их взаимодействия между собой и с другими мультиполями; принципиальная схема устройств для наблюдения тороидных моментов и торондных вос-приимчивостей.
Разработка методов описания систем из конечного числа диполей, интегральные и дифференциальные параметры дипольного состояния; использование параметров для вычисления энергии взаимодействия дипольних систем с внешними полями и между собой.
Метод расчета дипольной конфигурации с выбором начального состояния с помощью процедуры "охлаждения". Метод расчета пространственной конфигурации агрегатов дипольних частиц с учетом конфигурационных и диполь-дипольных взаимодействий частиц.
Физическое обоснование принципов тороидной записи информации, решение задачи о перемагничений агрегата сильно взаимодействующих магнитных частиц неоднородным внешним полем. Принципиальная схема устройств для тороидной записи и считывания информации.
Оценка мультипольних моментов образцов антиферромагнетика по независимой области, взятой относительно группы трансляций кристалла; рассмотрение конкретных примеров антиферромагнитной структуры; выяснение роли мультипольних моментов как физических параметров порядка в исследовании свойств антиферромагнетика.
Теория происхождения аромагнетизма, основанная на доказываемом предположении, что аромагнетики обладают аксиальными (электрическими) тороидными моментами, решение задачи о движении частицы аромагнетика во внешнем поле, квантово-химическое вычисление мультипольного момента бензольного фрагмента молекулы аромагнетика, оценка температуры аромагнитного (тороидного) упорядочения. Другие примеры аромагнитных структур.
Расчеты тороидной восприимчивости агрегированной магнитной суспензии с учетом процессов старения суспензии; принципы измерения тороидной восприимчивости. Расчеты тороидной восприимчивости в области температуры фазового перехода магнитного состояния жесткого агрегата в упорядоченную фазу, доказательство того, что этот переход может служить причиной Кюри-Вейссовского поведения восприимчивости магнитной суспензии; расчеты температуры перехода и параметра порядка в зависимости от формы агрегата.
Расчеты коэффициентов теплопроводности и объемной вязкости агрегированной магнитной суспензии, их зависимости от внешнего поля и тем-
псратуры. Доказательство симметричности тензора теплопроводности. Выяснение условий появления объемной вязкости, расчеты дисперсии поглощения звука ферромагнитной суспензией в зависимости от внешнего поля.
Вывод квантового кинетического уравнения типа уравнения Фоккера-Планка для функции распределения квантового вектора состояния и исследование с его помощью различных релаксационных процессов в спиновой системе; вывод стохастического уравнения Лиувилля и уравнения Блоха.
Приближенное решение задачи о динамике спина в постоянном и пер'еменном магнитных полях при их произвольной взаимной ориентации.
Приближенное решение задачи о квантовой динамике системы из конечного числа взаимодействующих спинов : а) методом, обобщающим на этот случай метод спиновых возбуждений; б) методом d-конфигураций и в) методом мультипольного разложения векторов d-конфигурации. Симме-трийный анализ условий перекрестного возбуждения тороидного момента спиновой системы однородным переменным полем.
Вывод общей формулы для поглощения спиновой системой энергии переменного магнитного поля, имеющего однородную и вихревую составляющие. Анализ тороидного.поглощения в зависимости от формы молекулы и анализ»условий тороидного возбуждения ядерного магнитного резонанса. Расчеты тороидного отклика на импульсное возбуждение спиновой системы переменным полем (однородным и вихревым).
Публикации
Всего по теме диссертации имеется 66 публикаций, в том числе 37 статей и 3 изобретения.
Структура и объем диссертации
Представляемая диссертация состоит из пяти глав и 16 параграфов и содержит : 359 страниц текста, 64 рисунка, 12 таблиц, список цитируемой литературы, включающий 170 названий, и оглавление.
