Акустомагнитная модуляция электромагнитных волн субмиллиметрового диапазона в антиферромагнетике типа "легкая" плоскость тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИЯ ИНСТИТУТ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Авакян Арамаис Александрович

АКУСТОМАГНИТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН СгаЯШИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА В АШИФЕРРОИАГНЕТИКЕ ТИПА "ЛЕГКАЯ" ПЛОСКОСТЬ

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

АШТАРАК - 1991г.

Л

/

Г,

( /

Работа выполнена в Институте Радиофизики и Электроники АН Республики Армения

Научный руководитель: кандидат физико-математических раук Кочарян К.Н.

■ Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Шавров В.Г.

доктор физико-математических наук Алексаняв А.Г.

Ведущая организация: Ереванский Государственный

Университет

Защита состоится Jhcäij^ 199Д-. в часов на

заседании специализированного совета KD05.13.01 в Институте Радиофизики и Электроники АН Республики Армения, по адресу: 378410, Аштарак-2, ул. Братьев Алиханян, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Радиофизики и Электроники АН Республики Армения.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета K005.I3.0I л кандидат фазико-иатематических наук ¿¿^¿^»-Дракэлян B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Магнитоупорядоченные вещества

гроявляют самые разнообразные физические свойства и в связи с ним являются объектами много-численных исследований. Эти войства особенно ярко проявляются • в явлениях, связанных со пиновой динамикой: с резонансным поглощением лектромагнитного излучения спиновой системой, с агнон-фонокным взаимодействием и т.д.

Одним из важнейших достижения в области физики шеитоупорядоченных веществ стало открытие и объяснение ¡абого ферромагнетизма в антиферромагнитных диэлектриках, еда веществ, обладзвдих слабым ферромагнетизмом привлекают льшое внимание кристаллы ромбоэдрической симметрии, четаюшиэ в себе слабый ферромагнетик с внутришюскостноп этропкеа, что делает их удобными объектами как для эротических, так и для экспериментальных исследований. )бое место здесь занимают борат шлоза <КеВОэ) и гематит Ре2оз), - своего рода модельные кристаллы, вызывающие слабеваюпш интерес исследователей. Это связано с Ценностями спектра и гигантской магнитоупругостыо в этих гталлах.

Несмотря на большое количество работ по исследованию самых гообразных эффектов в легкоплоскостных

[ферромагнетиках, остаются еще недостаточно исслздованными ния, связанные с влиянием сильной магнитоупругои связи на электродинамические характеристики в окрестностях иантиферромагнитной моды АФМР.

Цель диссертации. Целью диссертации является исследование эффекта акустомагнитной модуляции электромагнитных волн субмяишмэтрового диапазона в антиферромагнетике со слабым ферромагнетизмом типа "легкая" плоскость в окрестностях высокочастотной ветви АФМР.

Научная новизна и защищаемые результаты. К началу представленных в диссертации исследований не было экспериментальных работ по модуляции амплитуда и фазы электромагнитных волн при помощи наведенных ультразвуком колебаний слабоферромагнитного момента в базисной плоскости легкоплоскостных слабых ферромагнетиков в области высокочастотной моды АФМР.

Новизна научных положений, выносимых на защиту, определяется тем, что:

- проведено подробное исследование электродинамических характеристик »-Ре2оэ и РеВоз в широком интервале частот и температур, обнаружены индуцированные внешним воздействием двулучепреломление и дихроизм в слабоферромагнитной фазе гематита вблизи высокочастотной ветви АФМР;

- обнаружен эффект акустомагнитной модуляции электромагнитных - волн субмиллиметрового • диапазона в гематите в области высокочастотной моды АФМР. Показано, что модуляция обусловлена колебаниями слабоферромагнитного момента в базисной плоскости, возникающими под воздействием стоячей ультразвуковой волны;

- исследована зависимость эффективности модуляции от внешнего магнитного поля и амплитуда ультразвуковых деформаций

и показано соответствие экспериментальных результатов с теорией магнитоупругого взаимодействия;

методом АФМР обнаружена и исследована структура индуциррранвых стоячей ультразвуковой волной колеблющихся магнитных дошнов, показано, что период доменной структуры совпадает с длиной волны продольного звука в гематите; - рассчитанные на ЭВМ теоретические кривые спектров пропускания плоскопарал®льноа пластины а_кегоз и РеВо3, интенсивности модударованного сигнала в зависимости от этстроаки от частоты АФМР, о предела иные по максимальному »впадению теоретических и экспериментальных кривых значения юказателэй преломления, коэффициентов поглощения и номалъной дисперсии свидетельствуют в пользу предложенного эханизаа модуляции.

Практическая ценность диссертации определяется тем, что в >3 исследован новый способ модуляции, '"позволяющий гуществить высокочастотную модуляцию электромагнитных волн ттииялшетрового диапазона, что может лечь в основу работы аличных быстродействующих элементов этого диапазона.

Апробация работы. Результаты исследовании, представленных диссертации, доюадовались на следующих конференциях геминарах:

1-ая Всесоюзная Акустическая конференция (Москва, 1991). 4-«я Семинар по функциональной магнитоэлектронике асвоярсх, 1590).

кошары Института Радиофизики и Электроники АН РА.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах, которые даны в общем списке литературы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Полнын объем диссертации составляет 105 стр, включая 59 стр. текста, 38 рис. и список литературы из 95 наименований на 10 стр. (включая публикации автора по материалам диссертации).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обосновывается актуальность работы, формул}фуются цель и задачи, обусловившие выбор темы исследования. Здесь же дана краткая аннотация результатов, излагаемых в каждой главе.

Первая глава посвящена обзору работ по спиновой динамике и магнитоупругосги ангиферромагнетиков.

Приведены основные теоретические модели, используемые для описания динамических магнитных и магнитоупругих свойств многоподрешеточных магнетиков, в частности- уравнения движения для упругих смещений и намагниченности, одним из следствий совместного решения которых являются статический и динамический фазовые перехода по упругим деформациям в легкоплоскостных слабых ферромагнетиках.

Дан подробный обзор работ, посвященных исследованию антифзрромагнитного резонанса и магнитоупругих свойств лепсоплоскостных антиферромагнетиков пространственной группы симметрии г^. Проведен анализ работ по переориентациям спинов в легкой плоскости таких кристаллов в поле статических и динамических упругих напряжений.

Во второй главе описана методика экспериментов и представлены блок-схемы установок для исследования электродинамических характеристик и акустомагнитноа модуляции субмиллиметрового излучения в легкоплоскостных слабых $ерромагнетиках.

Установка для исследования электродинамических характеристик представляла собой квазиоптический монохроматический субмиллиметровьт спектрометр, работающий на пропускание. В качестве источника излучения использовались лампы обратной волны (ЛОВ), перекрывавшие диапазон частот 170*550 ГГц.

Установка для возбуждения ультразвуковых колебаний включала в себя акустический резонатор, который состоял из пъезокерамического преобразователя, звукопровода и активной среды..

Акустический резонатор помещался в кювете, где располагались две пары катушек Гельиголыда, которые создавали магнитные поля в горизонтальном и вертикальном направлениях.

В экспериментах определялась относительная интенсивность прошедшего через образец излучения на частоте модуляции при сканировании температуры.

Третья глава посвящена исследованию электродинамических характеристик a-Fe2os и FeBOt в субмиллимэтровом диапазоне. Измерения проводились на плоскопараллельных образцах с кристаллографической осью с, перпендикулярной плоскости пластины. Обработка экспериментальных спектров продемонстрировала соответствие теоретической модели пропускания плоскопараллельной диэлектрической пластины с учетом аномальной дисперсии и поглощения в области АФМР.

Путем моделирования на ЭВМ получены значения показателей преломления п0, коэффициентов поглощения ко и аномальной jacnapcics дп для a-?cjoi FeBOs. Обнарунюны индуцированные

знешним магнитным полем двулучеггреломлете и дихроизм в >_ре2°з в области АФМР. Это обусловлено тем, что ¡ысокочастотная ветвь АФМР легкоплоскостных слабых ерромагветиков возбуждается при отличной от нуля ^компоненте электромагнитной волны, параллельной лабоферромагнитному моменту. Из этого следует, что при онодоменизации образца магнитным полем, перпендикулярным ь, езонансное поглощение и дисперсия будут отсутствовать, в то ремя, как при нпь, они будут иметь место. Из наблюдений вулучепреломления и дихроизма в области АФМР определялись эля монодоменизащи образцов, что позволяло качественно денить степень их совершенства.

В четвертой главе приводятся результаты исследования сустомагнитнои модуляции субмиллиметрового излучения в -Ке2оз. Модуляция происходила благодаря периодическим ¡менениям двулучепреломления и дихроизма в легкоплоскостной зе гематита в области АФМР, наведенным знакошременными рутами деформациями. Проведенные оценки показали, что вклад фотоупругого ханизма в эффект не превосходил 1% от наблюдавшегося. Получены зависимости эффективности • модуляции от встройки частоты электромагнитной волны от частоты АФМР для пая взаимодействия электромагнитной волны с областью, где нисходили пространственно-однородные знакопеременные формаций; Это условие достигалось при помощи уменьшения >ртуры электромагнитной волны до размеров, меньших длины суволны ультразвука в образце.- Модуляция осуществлялась на

частотах ультразвука 1,2+1,4 МГц, в диапазоне амплитуд деформаций 10~а<ио<10"5. Наблюдаемый эффект складывался из амплитудной модуляции, обусловленной дихроизмом, наведенным упругими деформациями, и фазовой модуляции, обусловленной наведенным двулучепреломлениэм в области АФМР, преобразуемой также в амплитудную в силу неравномерности амплитудно-частотной характеристики образца в форме шюскопараливльной пластины. Пространственная однородность модулирующей области позволила применить модель пропускания плоскопараллельной пластины и получить на ЭВМ теоретическую кривую зависимости амплитуды модуляции от температуры, довольно хорошо совпадающую с экспериментальной. Это в свою очередь позволило теоретически рассмотреть отдельно случаи амплитудной и фазовой модуляций. Было получено, что при углах колебаний слабоферромагнитного момента, далеких от 90°-ных, доминирующую роль играет фазовая модуляция, которая распространяется на более широкую область спектра, тогда как для случая 90°-ных колебаний слабоферромагнитного момента основную роль играет амплитудная модуляция.

Исследования эффективности модуляции в зависимости от величины и ориентации магнитного поля показали, что магнитное поле, приложенное в произвольном направлении в Оазисной плоскости, уменьшает эффект. Зависимость эффективности модуляции от амплитуды ультразвуковых деформация была с достаточной точностью линейна во всей исследованной области, что указывает на то, что колебания слабоферромагнитного момента были далеки от 90°-ных.

Полученные результаты соответствуют теоретическим

представлениям о переориентации спинов в поле упругих деформаций, указывающим на то, что угол поворота слабоферромагнитного момента в базисной плоскости легкоплоскостного слабого ферромагнетика, происходящего под воздействием упругих деформация, растет с увеличением деформации и подавляется при приложении постоянного магнитного поля.

Для подтверждения магнитной природы модуляции была исследована также зависимость интенсивности модуляции от приложенного в базисной плоскости образца постоянного магнитного поля. Исходя из значения поля, подавляющего модуляцию, определена амплитуда ультразвуковой деформации из Теории магнитоупругого взаимодействия:

Н<Н+На>Мо , -ио= Н~~В-=7'10

• ЙД

Значение амплитуда деформации определено также независимым способом- по измерению падения высокочастотного напряжения на пьезоэлектрическом преобразователе:

где с и со- диэлектрические постоянные преобразователя и вакуума, с- соответствующий упругий модуль, к- коэффициент электромеханической связи, <1- толщина преобразователя, и-измеренное падение .высокочастотного напряжения на преобразователе. Как видно, полученные независимыми способами значения амплитуды ультразвуковой деформации достаточно близки.

Исследовано пространственное распределение амплитуды модуляции вдоль направления волнового вектора ультразвука. Оно шело периодический характер, связанный с наведенной ультразвуком колеблющейся доменной структурой. При частоте ультразвука 1,2МГц, период оказался равным г>=2,8 ым. Предполагая, что это составляет половину длины ультразвука, оценена скорость продольного звука в образце: тт/п=6,72• 1СХ5 см/с, которая совпала с величиной, определенной по известным значениям упругих модулей:

у=(С11р)1^2=6,76- 103см/с.

Исследована также модуляция субмиллиметрового излучения в условиях пространственно-неоднородных колебаний

двулучепреломления и дихроизма в области АФМР.

Если исследование акустомагнитвой модуляции в предыдущем случае проводилось в условиях концентрации субмшишметрового пучка до размеров, меньших длины полуволны ультразвука, то в этом случае пучок не фокусировался и в поперечнике пучка размещалось несколько полуволн ультразвука.

Законы изменений показателя преломления и коэффициента поглощения имели вид.

, 2 л

где л и о соответственно длина волны и круговая частота ультразвука.

Из акустооптики известно, что в таких условиях происходит модуляция электромагнитной волны четными гармониками ультразвука, если в апертуре пучка размещается целое число

полуволн. В экспериментах же наблюдалась модуляция как на основной частоте ультразвука, так и на второй гармонике. Наличие, модуляции на частоте ультразвука можно объяснить тем, что не выполнялось условие размещения целого числа полуволн ультразвука на апертуре электромагнитной волны, или апертура была недостаточно однородна. А так, как число ультразвуковых полуволн невелико (о_5,5МГц при длине образца 6мм), эта неоднородность приводит к появлению достаточно интенсивной модуляции на основной частоте.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I.Проведено исследование электродинамических характеристик а-Регоз и РеЕРз в диапазоне. частот 150+550 ГГц и температур 85+ЗЗОК. Обнаружены индуцированные внешним магнитным полем дихроизм и двулучепреломление гематита в слабоферромагнитной фазе в области высокочастотной моды АФМР. При помощи модели пропускания плоскопараллельной пластины получены теоретические спектры пропускания для а-Рв103 и ГеВ01. По максимальному совпадению теоретических и экспериментальных спектров определены значения показателей преломления, коэффициентов поглощения и аномальной дисперсии. 2.Обнаружен эффект акустомагнитной модуляции электромагнитных волн субмиллиметрового диапазона в • гематите в области высокочастотной моды АФИР. Показано, что модуляция обусловлена колебаниями слабофэрромагнитного момента в

базисной плоскости, возникающими под воздействием знакопеременных упругих напряжений.

3.При помощи моделирования на ЭВМ получены теоретические кривые! хорошо совпадающие с экспериментальными зависимостями интенсивности модулированного сигнала от величины расстройки от частоты АФМР. Исходя из теоретических и экспериментальных результатов, показано, что имеют место как непосредственно амплитудная модуляция, обусловленная дихроизмом, так и фазовая модуляция,, обусловленная двулучепреломлением в области АФМР, преобразующаяся также в амплитудную из-за неравномерности амплитудно-частотной характеристики образца.

4.Проведено исследование зависимости эффекта акустоиагнитной модуляции от величины и направления внешнего магнитного поля и от амплитуда ультразвуковой деформации. Показано, что внешнее постоянное магнитное поле, приложенное в произвольном направлении в базисной плоскости уменьшает эффект модуляции. Исходя из значения магнитного поля, образующего амплитуду модулированного сигнала в нуль при данном значении интенсивности ультразвука, проведена оценка значения ультразвуковой деформации в модели переориентации спинов в базисной плоскости легкоплоскостного слабого ферромагнетика в поле механических напряжений. Это значение хорошо совпало со значением, подученным независимым способом, что также свидетельствует в пользу предложенного механизма модуляции.

Показано также, что эффективность модуляции линейно растет при увеличении амплитуды ультразвуковой деформации в области ИГ^и <Ю"Э.

О

5.Проведено исследование структуры колеблющихся в поле

стоячей ультразвуковой волны магнитных доменов в гематите методом АФМР. Показано, что период доменной структуры совпадает с длиной ультразвуковой волны в гематите. На примере гематита демонстрирован способ определения скорости звука в легкоплоскостном слабом ферромагнетике.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1.Авакян A.A., Ксчарян К.Н., Мартиросян P.M. Акустомагнитная модуляция электромагнитных волн в гематите

- Тезисы докладов 4-го семинара по функциональной магнитоэлектронике, Красноярск, .1990, с.73-74.

2.Avakian A.A.. Kocharian K.N.. and Martlroeoian R.M.

. Acoustomagnetic Modulation in Submillimeter Band - Int. J. of Infrared and Millimeter Haves. 1990. v. 11. tJo.6. P.759-764.

3.Авакян A.A., Кочарян К.Н. Способ модуляции электромагнитных волн. Положительное решение о выдаче авторского свидетельства по заявке No.4769708/09 (148955) от 13 декабря 1989г.

4.Авакян A.A., Ерзнканян К.Г., Кочарян К.Н., Мартиросян Р.Ы.

- О механизме акустомапштной модуляции электромагнитных волн субмиллиметрового диапазона в антиферромагнетихах типа "легкая плоскость" - OTT, 1991, т.33, в. в, с.1792-1798.

5.Kocharian K.N.. Avakian A.A.. Pr: -n V.G.. and SerkleeLan

E.L. - Dichroism of a-Fea03 in Submillioeter Band Induced

by External Magnetic Field - Int. J. of Infrared and

Millimeter Waves. 1991. v.12. No.7. 4p. t .

б.Авакян А.А., Кочарян K.H., Мартиросян P.M. - Исследование доменной структуры в a-Fe20s, образованной под воздействием стоячей ультразвуковой волны - Тезисы докладов II-ой Всесоюзной акустической конференции, секция В, Москва, 1991, с.152-154.