Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к изучению магнитоупорядоченных веществ с аномальными электрическими свойствами обусловлен возможностями их использования в устройствах, преобразующих магнитные сигналы, хранящиеся на магнитных носителях информации, в электрические сигналы, обрабатываемые вычислительными машинами. В последние годы при изучении этих веществ был получен ряд фундаментальных результатов, которые также перспективны и для указанных выше технических приложений. В 1988 году был обнаружен эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС) в магнитных металлических плёнках Fe/Cr [1, 2]. Эффект ГМС позволяет преобразовывать изменения магнитного поля в модуляции электрического тока, что очень быстро удалось реализовать в технических устройствах. В 2007 году открытие ГМС было отмечено Нобелевской премией.
Другой фундаментальный результат получен в 2003 году. Он связан с обнаружением гигантского магнитоэлектрического (ГМЭ) эффекта при комнатных температурах в тонких плёнках феррита висмута ВіГеОз [3]. Этот эффект позволяет преобразовывать магнитные сигналы в модуляции электрического напряжения, поэтому он также перспективен для использования в устройствах записи и считывания информации. После обнаружения ГМЭ-эффекта возник повышенный интерес к изучению мультиферроиков — веществ, обладающих свойствами сегнетоэлектриков, сегнетоэластиков и магнетиков. Ожидается, что в этом классе веществ удастся обнаружить материалы с аномально большими магнитоэлектрическими (МЭ) эффектами.
Ещё один сенсационный результат, относящийся к аномальному влиянию электрических полей на вещества со спиновым упорядочением, получен в магнитооптике. В 2007 году в плёнках Gd-Fe-Co впервые наблюдалось перемагни-чивание под действием фемтосекундных лазерных импульсов [4]. Столь быстрое перемагничивание открывает качественно новые возможности для увеличения скорости магнитной записи. Для сравнения достаточно указать, что в существующих устройствах времена перемагничивания лежат в наносекундном диапазоне. Поэтому изучение магнитных эффектов, обусловленных электрическим полем волны накачки, стало очень популярным направлением в физике магнетизма, получившим название «фемтосекундный магнетизм» или просто «фемтомагнетизм».
Хотя изучению ГМС, ГМЭ и фемтомагнетизма посвящено большое число работ, многие вопросы всё ещё остаются нерешёнными. К таким вопросам относятся:
1. Как можно снять противоречие между фемтосекундностью накачки, вызывающей оптическое перемагничивание, и наносекундностью характерных времён спиновой динамики?
Какова роль орбитального магнетизма при оптическом спиновом перемаг-ничивании?
Как связано магнитоэлектрическое взаимодействие с другими хорошо известными взаимодействиями в магнетиках (взаимодействием, ответственным за магнитную анизотропию, магнитострикцию, обменным взаимодействием и др.)? Если бы такая связь была установлена, это облегчило бы поиск веществ с ГМЭ-эффектами.
Какие существуют возможности усиления магнитоэлектрических эффектов?
Цели работы: разработать и обосновать механизм перемагничивания под действием фемтосекундной лазерной накачки; связать магнитоэлектрическое взаимодействие с известными взаимодействиями и предложить способы усиления магнитоэлектрических эффектов. Для этого были поставлены и решены следующие задачи:
Построить модель спиновой переориентации с привлечением взаимодействия орбитальных моментов электронов с электрическим полем волны накачки.
Получить выражение для энергии магнитоэлектрического взаимодействия, используя предположение, что энергия магнитной анизотропии зависит от расстояния между атомами в кристалле.
Изучить возможность использования параметрического резонанса для усиления магнитоэлектрического эффекта.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
Предложен новый подход к описанию процесса перемагничивания под действием фемтосекундной накачки. Он состоит в том, что накачка только размораживает орбитальный момент, который и обеспечивает спиновую переориентацию после выключения накачки.
Магнитоэлектрическое взаимодействие описано как часть магнитоупру-гого взаимодействия.
Указано вещество (С^ТеОв), в котором симметрия допускает существование параметрического магнитоэлектрического эффекта.
Научная и практическая ценность результатов диссертации:
Предложено в фемтомагнетизме учитывать неравновесный орбитальный момент, сформированный фемтосекундной оптической накачкой. Этот новый подход может помочь в понимании природы сверхбыстрой магнитной динамики, вызванной воздействием ультракоротких лазерных импульсов.
Предложен новый механизм усиления магнитоэлектрических сигналов при параметрическом антиферромагнитном резонансе.
Указана связь между величинами констант магнитной анизотропии и магнитоэлектрических взаимодействий.
Достоверность результатов обеспечивается:
отсутствием взаимоисключающих предположений при формулировке предлагаемых моделей и проведении расчетов;
отсутствием противоречий с твердо установленными и хорошо известными результатами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Модель оптического размораживания орбитальных моментов.
Описание динамики орбитальных моментов с учётом их взаимодействия между собой и с кристаллическим полем.
Способ описания спиновой динамики в спин-орбитальном поле оптически размороженных орбитальных моментов.
Анализ магнитоупругого механизма магнитоэлектрического взаимодействия с использованием понятия электрических подрешёток.
Обоснование возможности существования параметрического магнитоэлектрического эффекта.
Личный вклад автора. Все основные результаты работы были получены автором лично или при его активном участии. Выбор направления исследований, формулировка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем профессором М. И. Куркиным. Автор лично провёл расчёты по обоснованию механизма сверхбыстрого оптического перемагничива-ния, магнитоупругой модели магнитоэлектрического взаимодействия и условий существования параметрического магнитоэлектрического эффекта. Автор принимал участие в обсуждении полученных результатов и подготовке публикаций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: International Symposium "Spin Waves 2011" (June 2011, Saint Petersburg), Всероссийская молодёжная
школа «Магнитный резонанс в химической и биологической физике» (сентябрь
2010 года, Новосибирск), IV Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism"
EASTMAG-2010 (June 2010, Ekaterinburg), XLIV Зимняя школа
ПИЯФ — Секция физики конденсированного состояния (март 2010 года, Гат
чина), XXXIII Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуров-
ка» (февраль 2010 года, Екатеринбург), X Молодёжная школа-семинар по про
блемам физики конденсированного состояния вещества СПФКС—10 (ноябрь
2009 года, Екатеринбург), XII Междисциплинарный международный симпози
ум «Фазовые превращения в твёрдых растворах и сплавах» ОМА—12 (сентябрь
2009 года, Ростов-на-Дону), XII Международный междисциплинарный симпо
зиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» ODPO—12 (сентябрь 2009 го
да, Ростов-на-Дону), International Symposium "Spin Waves 2009" (June 2009,
Saint Petersburg), Всероссийская научная конференция студентов-физиков и
молодых учёных «ВНКСФ—15» (март 2009 года, Кемерово), Третья Всерос
сийская конференция по наноматериалам «НАНО—2009» (апрель 2009 года,
Екатеринбург), Научная сессия Института физики металлов УрО РАН по ито
гам 2008 года (март 2009 года, Екатеринбург), Moscow International Symposium
on Magnetism "MISM—2008" (June 2008, Moscow), International Symposium "Spin
Waves 2007" (June 2007, Saint Petersburg),
VII Молодёжный семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (ноябрь 2006 года, Екатеринбург), 34 Совещание по физике низких температур «НТ—34» (сентябрь 2006 года, Ростов-на-Дону), а также на научных семинарах Института физики металлов УрО РАН и Новосибирского государственного технического университета.
Публикации. Основные результаты опубликованы в 26 научных работах, в том числе 5 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, 4 из которых в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертации, 1 статья в электронном журнале, 5 статей в материалах и трудах всероссийских и международных конференций и в 15 тезисах докладов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, посвященных решению поставленных во введении задач, заключения и списка литературы. Общий объём работы — 120 страниц, включая 13 рисунков, 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 119 наименований.
