Нелинейная сверхзвуковая динамика доменных границ в слабых ферромагнетиках

Стремительное развитие телекоммуникационных и информационных систем, резкое возрастание потребностей в высокоскоростной обработке и бессбойном хранении все возрастающих массивов информации стимулировало исследования новых механизмов перемагничивания в магнитоупорядоченных средах [1−3]. После трех десятилетий с момента появления идеи А. Х. Бобека о возможности применения высокоподвижных цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) в ортоферритах в качестве бинарных элементов памяти в ЭВМ [2, 4−8] в настоящее время наблюдается новый виток интереса к ней. Этому способствуют совершенствования технологий получения новых перспективных магнитооптических материалов и достигнутое в них повышение эксплуатационных и функциональных свойств. Синтез висмут содержащих феррит гранатов, ортоферритов, аморфных магнитных пленок с рекордно высокой магнитооптической активностью (МО) и сравнительно низким уровнем энергопотребления способствовал реализации потенциальных возможностей световых пучков для обработки информации в реально действующих элементах [9−15]. МО вентильные и невзаимные элементы для оптоволоконной связи, быстродействующие принтеры, пространственно-временные управляемые транспаранты на магнитных носителях быстро занимают ведущие позиции на мировом рынке. В периферийных устройствах, в частности, в качестве сменных носителей информации все более активно внедряются магнитооптические (МО) диски, намечается производство дефлекторов, преобразователей, переключателей, элементов интегральной оптики [13].

Сравнительно низкие скорости процессов перемагничивания в применяемых сегодня магнитооптических материалах (не более сотни м/с) ограничивают повышение быстродействия функциональных элементов и устройств. В то же время в слабых ферромагнетиках (СФМ) — ортоферритах, борате железа скорость движения доменных границ (ДГ) превосходит скорости распространения звуков и является наибольшей среди изученных в настоящее время магнетиков (20×10Л м/с) [3]. Наличие в них высокой магнитооптической добротности (14 град/дБ) в видимой области спектра [6, 16] сделало их уникальным материалом для исследования и моделирования новых механизмов перемагничивания, квантовой, солитонной природы, процессов самоорганизации в естественной, сильно диссипативной и нелинейной среде. На этой же основе осуществлены разработки эффективно работающих магнитооптических модуляторов, пространственно-временных транспарантов (при 100% и 50% модуляциях на частотах до 10А и 10А Гц) [11−12]. Таким образом исследования процессов перемагничивания за счет сверхзвукового движения ДГ в прозрачных СФМ весьма актуальными, имеющими большое как общефизическое, так и прикладное значения. Это оптимально соответствует уже сложившейся тенденции в развитии оптоэлектронной техники новых поколений все более ориентируемой на явления квантовой природы — макроскопического квантового туннелирования, гигантского магнетосопротивления и создание элементов спиновой электроники на этой основе.

Целью работы является экспериментальные исследования с использованием разработанных магнитооптических методов в реальном времени нелинейной и нестационарной динамики ДГ, динамических свойств прозрачных СФМ, процесса преодоления ДГ звукового барьера, взаимодействий между магнитной и упругой подсистемами, исследование механизмов таких взаимодействий, их физическое моделирование.

Основные задачи исследования.

Разработка высокоточных методов исследования быстропротекающих процессов перемагничивания в оптически прозрачных магнитоупорядоченных средах, в том числе, в реальном масштабе времени.

Исследование процессов перемагничивания и квазичастичных возбуждений с использованием динамической ДГ в качестве микрозонда.

Исследование макроскопических нелинейных явлений, сопровождающих процесс преодоления доменной фаницей звукового барьера.

Моделирование процессов перемагничивания СФМ на основе синергетического подхода.

Разработка основных принципов работы быстродействующих магнитооптических устройств обработки информации.

Научная новизна.

Установлен квазирелятивисткий характер зависимости скорости движения ДГ от амплитуды импульсного магнитного поля-У (Н) в СФМ ортоферритах (КРеОз) и борате железа (РеВОз). Показано, что для всех исследованных слабых ферромагнетиков доминирующий вклад в величину предельной скорости движения ДГ вносят поля обменного взаимодействия.

Визуализирован упругий солитон.

Обнаружены и исследованы винтеровские (пристеночные) изгибные магнонные колебания, получено адекватное согласие условий их возбуждения в рамках модели параметрического резонанса между частотами собственных колебаний доменной стенки и пространственными частотами, определяемыми размерами ростовых неоднородностей и толщиной монокристаллических образцов СФМ.

Построена качественная физическая модель динамической перестройки доменных структур (ДС) при преодолении ДГ звукового барьера в условиях сильной акустической накачки.

Обнаружен и исследован упруго индуцированный фазовый переход, вызываемый туннелированием ДГ в СФМ, как новый высокоскоростной механизм их перемагничивания.

Получено экспериментальное подтверждение правомерности синергетического подхода к исследованию динамических солитоподобных объектов типа ДГ.

Доказано, что ДГ на сверхзвуковых скоростях движения позволяет осуществлять микрозондирование динамических свойств СФМ.

Научная и практическая значимость работы.

Разработаны новые магнитооптические методы исследования и контроля магнитодинамических параметров прозрачных магнетиков в режиме реального времени. Построены физические модели упруго-индуцированного механизма перемагничивания и параметрического резонансного торможения ДГ, проявляемого в условиях сильной диссипации и нелинейности магнитоупорядоченной среды, показаны принципиальные возможности разработки и создания устройств обработки информации с повышенными скоростями на их основе.

Основные защищаемые положения.

1. Зависимости движения доменных границ в слабых ферромагнетиках от амплитуды продвигающего поля носят сильно нелинейный характер, а форма доменных границ на сверхзвуковых скоростях становится неодномерной. Исследования нелинейной и неодномерной динамики доменных границ в слабых ферромагнетиках Высококонтрастная визуализация динамических неодномерных доменных границ и исследование их нелинейной динамики на всех скоростях движения вплоть до предельной достигается методом двукратной микрофотографии с использованием лазерной подсветки импульсами субнаносекундной длительности в реальном времени.

2. Результаты исследования прозрачных слабых ферромагнетиков типа ортоферриты и борат железа в импульсных магнитных полях до 5.5 кЭ при температурах от 1.8 до 560 К, полученные при движении доменных границ, как уединенной волны намагниченности, солитоноподобного типа, подтверждают возможность неразрушающего микрозондирования динамических свойств прозрачных магнетиков с помощью доменных границ.

3. Зависимость скорости стационарного движения доменных границ от амплитуды продвигающих магнитных полей во всех исследованных слабых ферромагнетиках достигает насыщения. Предельная скорость стационарного движения доменных границ, совпадает с минимальной фазовой скоростью спиновых волн на линейном участке их закона дисперсии и является изотропной. По мере приближения к предельной скорости динамика доменных границ в слабых ферромагнетиках приобретает квазирелятивистский характер.

4. Во всех исследованных слабых ферромагнетиках имеет место магнитоупругий механизм торможения доменных границ, который возникает в условиях фазового синхронизма колебаний в магнитной и упругой подсистемах при равенстве скорости движения доменных границ скорости продольного или поперечного звука, соответствующей поляризации. Этот механизм обладает отчетливо выраженной ориентационной зависимостью от кристаллографической направленности движения доменных границ и зависит от граничных условий на поверхностях пластинчатых образцов и их толщины.

5. В момент преодоления доменной границей звукового барьера формируется дополнительный канал диссипации ее энергии в ударную волну, возникающие при этом динамические деформации приводят к перенормировке констант анизотропии, вплоть до смены знака, что сопровождается изгибной неустойчивостью доменных границ, их неодномерным переходом к сверхзвуковому движению. Непосредственно в этот момент от доменной границы отделяется упругий солитон.

6. На сверхзвуковых скоростях движения доменных границ в слабых ферромагнетиках в условиях параметрического резонанса возбуждаются пристеночные (винтеровские) магноны при совпадении частоты собственных, изгибных колебаний доменных границ с пространственной частотой, определяемой толщиной образцов и размерами периодических объемных неоднородностей, ростовой природы.

7. Физическая модель процессов перемагничивания за счет движения доменных границ, основанная на подходе к доменной границе, как к динамической самоорганизующейся системе, в которой выполняются фундаментальные принципы Максвелла и максимального промедления.

8. Упруго-индуцированный механизм перемагничивания слабых ферромагнетиков, имеющий аналогию с явлением туннелирования доменных границ сквозь потенциальный барьер, возникающий в условиях естественного неоднородного рельефа, динамических деформаций возбуждаемых в момент преодоления доменной границей звукового барьера, а также при акустической или магнитной накачке.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и докладывались на Международных конференциях Интермаг — ЗМ, Монреаль, 1982; Пенсильвания, 1983; Гамбург, 1985; 15, 16 конференциях по магнетизму, Пермь, 1981; Тула, 1983; на 9, 10, 16, 17 Всесоюзных и Международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы для микроэлектроники», Донецк, 1982; Саранск, 1984; Москва, 1998, 2000; на Всероссийских конференциях по использованию современных физичесюих методов в неразрушающих исследованиях и контроле, Хабаровск, 1984, 1987; Международном Российско-Американском семинаре по проблемам материаловедения, Хабаровск, 1996; 5, 6 Международных симпозиумах «Актуальные проблемы науки и технологий на Дальнем Востоке», Хабаровск (Россия), 1997; Харбин (Китай), 2000; 3 Международном симпозиуме «Применение результатов исследований по конверсии для международного сотрудничества», Томск, 1999; Всероссийской Межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики и математики», Владивосток, 1999; Международном симпозиуме «Достижения в материаловедении», Комсомольск-на-Амуре, 1999 Международной конференции «Синергетика» 98″, Комсомольск-на-Амуре, 1998 Международном симпозиуме «1-ые Самсоновские чтения» Хабаровск, 1998 Международной конференции по магнетизму, «1СМ-2000», Ресиф (Бразилия), 2000; Международной Европейской конференции по магнитным материалам и применениям, «ЕММА-2000», Киев (Украина), 2000; Международном симпозиуме по спиновой электронике «88Е-2000», Галле (Германия), 2000; Международном симпозиуме «Проблемы материаловедения XXI века», Пекин (Китай), 2001; Международной байкальской научной конференции «Магнитные материалы», Иркутск (Россия), 2001; Европейской международной конференции по магнетизму, «1ЕМ8'01», Гренобль (Франция), 2001; Международной 1-ой Евро-Азиатской конференции по магнетизму «ЕА8ТМА0−2001" — Екатеринбург, 2001.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 61 статьях и тезисах докладов, список основных статей приведен в конце автореферата. Работа по теме диссертации проводилась в рамках единого заказ-наряда Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации (проект № 1.6.95), а также гранта № 97−0-7.0−29 этого же Министерства, предоставленного Санкт-Петербургским конкурсным центром в области естественных наук.

Заключение

.

Впервые в реальном масштабе времени на основе разработанного метода двойного магнитооптического контраста и двукратной высокоскоростной микрофотографии с подсветкой лазерными импульсами субнаносекундной длительности исследованы процессы перемагничивания в прозрачных слабых ферромагнетиках, обусловленные движением ДГ в зависимости от импульсного (амплитудой до 5.5 кЭ) и переменного (частотой до 10 МГц) магнитного поля, в диапазоне температур (от 1.8 до 560 К).

Установлено, что в ЛО СФМ (ортоферритах — КРеОз) предельная скорость стационарного движения ДГ © превышает скорости звуковых волн и достигает минимальной фазовой скорости спиновых волн на линейном участке закона дисперсии. Величина С определяется полями обменных взаимодействий, что экспериментально подтверждается изотропностью ее величины в ортоферрите иттрия. Предельная скорость движения ДГ в СФМ является наибольшей среди всех изученных магнетиков, и достигает в ортоферрите иттрия ~ 20Л 0Л м/с. По мере насьщения по скорости (Г->С) динамика доменных границ в ортоферритах приобретает квазирелятивистский характер.

Экспериментально подтверждена концепция, согласно которой каждому интервалу с постоянной скоростью АН, на зависимости УЩ) ставится в соответствие фононные, магнонные возбуждения или их суперпозиции. Доменная граница, как уединенная солитоноподобная волна намагниченности, движущаяся со сверхзвуковыми скоростями в прозрачных магнетиках, представляет динамический микрозонд для исследования процессов рассеяния и превращения элементарных возбуждений в магнитной и упругой подсистемах.

Впервые обнаружен упруго индуцированный механизм перемагничивания в слабых ферромагнетиках, наблюдаемый в условиях «перегрева» динамической системы при переходе доменной границы между двумя метастабильными минимумами потенциальной энергии. Согласно построенной физической модели этот механизм перемагничивания представляет неравновесный фазовый переход первого рода, возникает он в условиях сильной диссипации энергии доменной границы в упругой и/или магнитной подсистемах, сопровождается перенормировкой констант анизотропии и динамическими спин-переориентационными переходами (СФМ->АФМ->СФМ) внутри границы, со сменой типа ДГ от основного-ас к неустойчивому-а6. Регистрируется такой переход в узком интервале магнитных полей 5Н~ 13, в виде промежуточного магнитооптического контраста, возникающего за время менее 1 не, сопровождается он сильной нестационарностью, и увеличением скорости движения волны перемагничивания.

Показано, что при движении ДГ со скоростями поперечного и продольного звука в СФМ существует сильная ориентационная зависимость магнитоупругих взаимодействий, возникающих в следствие черепковского излучения фононов. Обнаружено различие в зависимости У (Н): для блоховской (ДГ±-[010]) Л1Я/ = О, а для неелевской (ДГ1[100]) ЛЯУ =0. При одинаковых граничных условиях взаимодействие ДГ с продольным звуком в 2 раза меньше, чем с поперечным, что проявляется в разной ширине интервалов торможения ДГ.

По дифракции света впервые получено прямое экспериментальное подтверждение возникновения дополнительной резонансной силы торможения ДГ на динамических деформациях, действующих на ДГ вблизи скоростей звука. Установлено, что время релаксации этих упругих ударных возбуждений составляет ~ 20 не, а их размер ~ 2 мкм приближается к толщине ДГ. Инверсионное движение ДГ на звуковой скорости показало, что вклад динамических деформаций в торможение ДГ сравнивается с магнитоупругим механизмом торможения, а при низких температурах механизм ударного торможения ДГ становится доминирующим. Показано, что флуктуационный механизм качественно объясняет процесс преодоления ДГ звукового барьера.

Обнаружено отсутствие гистерезиса скорости движения ДГ в ортоферритах в областях отрицательной дифференциальной подвижности, что соответствует интервалам торможения ДГ АН на зависимости У (Н). В условиях изгибной неустойчивости плоской ДГ выявлено образование на ДГ диссипативных структур, исследована их эволюция в зависимости от скорости и управляющего магнитного поля. Установлено существование двух времен релаксации этих неодномерных образований на ДГ. Получено качественное согласие наблюдаемых перестроек доменных структур в рамках вероятностного подхода, предложенного C.B. Гомоновым, основанного, как на принципе максимального промедления, характерного для идеальной динамической системы, так и на принципе Максвелла, учитывающего реальную неоднородную структуру исследуемых СФМ.

Показано, что сверхзвуковая доменная граница в слабых ферромагнетиках в областях с отрицательной дифференциальной подвижностью представляет динамический самоорганизующийся объект. Исследованы полевые и температурные зависимости временного и пространственного параметров самоорганизации. Доказано, что бифуркационным параметром в перестройках диссипативных самоорганизующихся структур является скорость движения доменных границ.

Впервые обнаружены пристеночные (винтеровские) магнонные колебания, возбуждение которых, в соответствии с теоретическими выводами А. К. Звездина и А. Ф. Попкова, происходит в условиях параметрического резонансного совпадения их собственной частоты с пространственной частотой, определяемой объемными периодическими неоднородностями в монокристаллах ортоферритов, ростового происхождения. Установлены закономерности возбуждения винтеровских магнонов в зависимости от граничных условий на поверхностях, толщины пластинчатых образцов, выражаемые образованием дополнительных, помимо магнитоупругих, интервалов торможения АН (при Vt.

Разработан высокочувствительный СФМ в широком диапазоне частот, температур и магнитных полей. На основе упруго индуцированного спин-переориентационного перехода предложен магнитооптический модулятор света с частотой модуляции несколько десятков гигагерц.