Введение к работе
Актуальность темы. В 1831 г. М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и примерно в то же время ввел понятие электрического и магнитного полей как самостоятельных физических субстанций. Но наряду с этими универсальными явлениями, в кристаллах были обнаружены эффекты, в которых связь между электрическими и магнитными свойствами проявляется лишь при выполнении определеных условий. Впервые на возможность связи между электрическими и магнитными характеристиками кристаллов было указано в 1956 г. Л. Д. Ландау и Е. М. Лифщицем . Они доказали, что в термодинамическом потенциале некоторых магнитоупо-рядоченных кристаллов существуют смешанные, линейные как по электрическому , так и по магнитному полю слагаемые. Это означало, что для такого класса веществ электрическое поле должно индуцировать в них намагниченность, а магнитное - электрическую поляризацию.
В послёднеедесятилетие в физике твердого тела активно исследу-_ ются магнитоэлектрические материалы, среди которых особенный интерес представляет сравнительно новый класс веществ - сегне-томагнетики. Это соединения, в которых одновременно существуют магнитное и электрическое упорядочение. При этом наиболее важным представляется то, что сегнетоэлектрические и магнитные свойства в этих соединениях взаимосвязаны. На этой основе возможно создание принципиально новых приборов в радио- и электронной промышленности, в которых электрическое поле управляет магнитными свойствами, и наоборот - магнитное управляет электрическими (например: манитоэлектрические преобразователи, датчики электрических и магнитных полей, оптические переключатели и т.д.).
Затем были обнаружены и изучены более 100 линейных магни-
тоэлектричеких эффектов в магнитоупорядоченных кристаллах, в разных антиферромагнетиках и ферромагнетиках , включающих се-гнетоэлектрики, пироэлектрики и пьезоэлектрики.
С другой стороны, хотя сам эффект оказывается не очень большим, он имеет принципальное значение. В настоящее время в магнетизме, и магнетооптике оказалось, что в связи с магнитоэлектрический взаимодействием возникают другие эффекты , обусловленныещи магнитоэлектрическими взаимодействиями.
Цель диссертационной работы состояла в том, чтобы теоретически исследовать роль магнетоэлектрического взаимодействия в формировании спии-модулированых структур и тороидального упорядочения в перовскито-подобных кристаллах, MFeOz, (M=Bi,Cr,Ga). Научная новизна работы состоит в дальнейшем развитии теории се-гнетомагнетизма и получении конкретных новых результатов, относящихся к особенностями магнитных фазовых переходов и тороид-ного упорядочиния.
Из условия минимума величины свободной энергии сегнетомаг-нитного кристалла с антиферромагнитным упорядочением п магнитоэлектрическим взаимодействием определены виды магнитных структур, реализующиеся в BiFeOz, а именно: однородное антиферромагнитное и модулированное состояние. Изучена эволюция модулированной структуры от модулированной спиральной структуры до односолитонной в зависимости от величины эффективной константы анизотропии кристалла. Установлена возможность переходов между фазами под действием магнитного поля, рассчитаны пороговые поля переходов.
Построены фазовые Н-Т диаграммы феррита висмута при различных ориентациях внешнего поля. Обоснована возможность существования в феррите висмута при определенных условиях двумерной модулированной структуры - решетки магнитных вихрей. Пред-
сказано и исследовано новое фазовое превращение в магнитном сегне-тоэлектрике с несоизмеримой структурой, которое является аналогией "Spin-flop" перехода. В точке такого перехода свободная энергия и ее производные до третье степени по полю являются непрерывными, но имеется скачок четвертой производной.
В центросимметричных системах,например, (FexCri-x)i03, проанализированы разные типы магнитной структуры и причины их возникновение. Установлена возможность переходов между фазами, под действием магнитного поля, рассчитаны пороговые поля переходов. Построены фазовые Н-Т диаграммы (FexCri-xhOs
Для орторомбических кристаллов (GaFe^Os показано, что магнитоэлектрический эффект в этих материалах определяется главным образом тороидным моментом Т. Предложен метод определения тороидного момента через измерения электрической поляризации в сильном магнитном поле. На основе анализа нейтронографических экспериментов определено значение тороидного момента в этом кристалле.
Научная и практическая ценность результатов проведенных исследований. Изучение фазовых переходов в сегнетомагнетиках пред- -ставляет интерес для фундаментальной теории и технических приложений. Полученные результаты важны для понимания механизмов , отвечающих за возникновение сегнетомагнетизма, а также для дальнейшего развития нового направления теории фазовых переходов, связанного с исследованием многомерных модулированных структур. Исследование индуцированных магнитным полем фазовых переходов в сегнетомагнетиках имеет и практическую ценность, связанную с потенциальной возможностью их использования в элементах вычислительной техники.
Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, были представлены на конференции "Магнитные материалы
для микроэлектроники" ( Москва, 1996 гг.), Седьмой Международной конференции по ферритам (Бордо (Франция), 1996 г.), Третьей Международной конференции по магнитоэлектрическому эффекту в кристаллах (Новгород, 1996 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата. Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 169 наименований. Диссертация изложена на 101 страницах машинописного текста и содержит 15 рисунков.
