Исследование субнаносекундными лазерными импульсами процессов перемагничивания в прозрачных магнетиках-ортоферритах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ



о

Хабаровский государственный технический университет

на правах рукописи

КАМИНСКИЙ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ СУБНАНОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ В ПРОЗРАЧНЫХ МАГНЕТИКАХ - ОРТОФЕРРИТАХ

01.04.05.-Оптика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор В.К. БУЛГАКОВ кандидат физико-математических наук, доцент А.П. КУЗЬМЕНКО

Хабаровск -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ СЛАБОФЕРРОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТИПА ОРТОФЕРРИТЫ

1.1. Кристаллические и магнитооптические свойства слабых ферромагнетиков.......................................................................................9

1.2. Доменная структура редкоземельных ортоферритов...................20

1.3. Моделирование процессов торможения доменных границ

в слабых ферромагнетиках.....................................................................29

1.4. Вероятностный анализ сверхзвукового движения доменных границ в прозрачных магнетиках...................................................................................43

ГЛАВА 2. ОПТИКО - ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ

В ПРОЗРАЧНЫХ МАГНЕТИКАХ

2.1. Развитие когерентно-оптических методов визуализации динамических особенностей в движении доменных границ..............50

2.2. Выбор, приготовление и методика исследований пластинчатых образцов ортоферритов..................................................58

2.3. Визуализация динамических процессов

перемагничивания..........................................................................................66

ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМЫ ТОРМОЖЕНИЯ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ОРТОФЕРРИТАХ

3.1. Нелинейная стационарная динамика доменных границ...............72

3.1.1. Подвижность ДГ в РЗО................................................................74

3.1.2. К вопросу о предельных скоростях движения ДГ в РЗО..........80

3.2. Доменная граница в прозрачных слабых ферромагнетиках -ортоферритах - источник квазичастичных возбуждений...................81

3.3. Импульсная дифракция света на пристеночных динамических

деформациях..........................................................................................86

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ

4.1. Условия возникновения нестационарного движения доменных границ в ортоферритах.........................................................91

4.2. Явления нестационарности в нелинейной динамике ДГ в

РЗО............................................................................................................97

4.3. Неодномерная динамика ДГ в РЗО...............................................110

4.4. Перспективы развития магнитооптических устройств обработки информации...........................................................................................118

ВЫВОДЫ..............................................................................................................................122

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Бурный рост телекоммуникационных и информационных систем, резкое возрастание потребностей в обработке и хранении все возрастающих массивов информации потребовал разработки и создания новых, высокопроизводительных устройств [1]. В этой связи, особая роль принадлежит оптоэлектронике, где удается достигнуть сочетания высоких скоростей обработки и плотностей записи информации с помощью световых пучков [2]. В традиционно используемых в этих целях электронно-оптических устройствах из-за технических сложностей оказались нереализованными потенциальные возможности световых пучков. В частности не получили должного развития работы по созданию конкретных функциональных элементов, таких как регистрирующие реверсивные среды, управляемые пространственно-временные транспаранты, невзаимные элементы. Принципиально иной подход к решению указанного круга проблем существует на пути разработки элементов хранения, обработки и передачи информации на основе прозрачных магнитооптических материалов [3, 4]. Как правило, в настоящее время в качестве таких материалов применяются Вьсодержащие феррит-гранаты, аморфные магнитные пленки, которые имеют целый ряд параметров, удовлетворяющих эксплуатационным и функциональным требованиям к магнитооптическим элементам. К примеру, они обладают высокой МО добротностью в окне оптической прозрачности, максимальными оптической чувствительностью и глубиной модуляции при сравнительно низких затратах энергии.

Минуло только три десятилетия с того момента, когда Бобеком была впервые высказана идея применения высокоподвижных цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) в виде бинарных элементов памяти в устройствах ЭВМ [5]. В качестве ЦМД -материала он предлагал использовать оптически прозрачные магнетики - ортоферриты. Это был первый пик активности исследовательских работ в этой области. В настоящее время наметился и продолжает развиваться второй бум в исследованиях по магнито-микроэлектронным устройствам, создаваемым на основе магнитооптически активных материалов. В периферийных устройствах, в частности, в качестве сменных носителей информации все более активно внедряются магнитооптические (МО) диски.

Наблюдается устойчивый рост объемов продаж МО-дисков, создаваемых на основе прозрачных аморфных ферромагнетиков, что в значительной мере обусловливается тенденцией снижения стоимости 1 Гбайта информации (на сегодня около 20 центов) и сокращением времени доступа к информации (менее 10"5 с). Достигнутые уже сейчас плотность записи информации (свыше 1 Мбайт/см2), высокая надежность (частота появления неисправимой ошибки - 10"16) и малая потребляемая мощность (менее 3 Вт при работе и отсутствие потребления энергии при хранении) сделали их конкурентоспособными во многих сферах от космических исследований и до блоков памяти в телефонных аппаратах. Магнитооптические диски, вентильные и невзаимные элементы для оптоволоконной связи, быстродействующие принтеры, пространственно-временные управляемые транспаранты быстро занимают ведущие позиции на мировом рынке. Намечается производство дефлекторов, преобразователей, переключателей, элементов интегральной оптики, о чем свидетельствуют данные \VEB-cepBepa Международной конференции по магнетизму "Интермаг-99", проходящей 18-22 мая. Дальнейший прогресс в этой области связывается с применением в качестве бинарных элементов линий Блоха - тонкой структуры доменных стенок [6].

Сравнительно низкие скорости процессов перемагничивания в применяемых сегодня магнитооптических материалах (не более сотни м/с) являются сдерживающим фактором существенного повышения быстродействия устройств на их основе. В этой связи ортоферриты, обладающие наибольшими среди известных в настоящее время магнетиков скоростями движения доменных границ (ДГ) (вплоть до 20х103 м/с) [3] и аномально большой магнитооптической добротностью (до 14 град/дБ на длине волны 630 нм) [4], являются весьма перспективными материалами для разработки высокоэффективных магнитооптических модуляторов, пространственно-временных транспарантов (при 100% модуляции на частотах до 100 МГц) [71. Все это делает исследования процессов перемагничивания за счет сверхзвукового смещения ДГ в прозрачных магнетиках - ортоферритах весьма актуальными, имеющими большое как общефизическое, так и прикладное значения.

Это тем более становится актуальным в свете того, что дальнейший прогресс в развитии оптоэлектронной техники новых поколений все более связывается с работами по использованию явлений, имеющих квантовую природу, что обусловливается уже

практически достигнутыми физическими пределами повышения быстродействия и плотности записи информации в традиционных полупроводниковых средах. На этом фоне особую значимость приобретают работы по исследованию новых процессов перемагничивания и явлений макроскопического квантового туннелирования.

Значение температур Нееля в ортоферритах, превышающие 600К [8], наряду с большими значениями полей орторомбической анизотропии, обеспечивают огромные величины полей опрокидывания магнитных подрешеток (до 75 кЭ). Это позволяет рассматривать смещение ДГ в качестве единственного механизма перемагничивания в реально доступных магнитных полях. Достигнутый уровень пространственного и временного разрешения позволил обнаружить наибольшие среди всех изученных магнетиков подвижности доменных границ (до 500 м/(схЭ)) в легкоплоскостном слабом ферромагнетике РеВОз) и рекордные скорости их движения 2x104 м/с [9, 10]. Такой важнейший для повышения быстродействия параметр как предельная скорость движения доменной границы, в ортоферритах на порядок превосходит аналогичный параметр (уокеровский предел) для ферромагнитных материалов. Слабые ферромагнетики являются единственными известными к настоящему времени магнетиками, в которых скорость движения ДГ превосходит звуковые скорости. Динамика ДГ в них оказалась существенно нелинейной. Теоретической основой для описания движения векторов магнитных моментов являются нелинейные уравнения Ландау - Лифшица, которые для ортоферритов могут быть сведены к уравнению типа синус - Гордона [11]. Учёт взаимодействия магнитной и упругой подсистем кристалла позволяет объяснить экспериментально наблюдаемые интервалы с постоянной скоростью при скоростях ДГ, соответствующих скоростям поперечного и продольного звуков. Помимо этого полевая зависимость характеризуется еще целым рядом особенностей в интервале от скорости продольного звука и вплоть до предельной скорости стационарного движения ДГ. В работах [12-14] возникновение таких особенностей интерпретируется как результат взаимодействия динамической ДГ с возбуждаемыми ее пристеночными (винтеровскими) магнонами. Заслуживает особого внимания предположение что возникновение особенностей на зависимости у(Н) представляет собой результат взаимодействия ДГ с определенной ветвью квазичастичных возбуждений (магнонных, фононных). Переход между отдельными

интервалами с постоянными скоростями носит резко нестационарный характер, а сама ДГ при этом перестает быть одномерной. Данная работа посвящена исследованиям нелинейной и нестационарной динамики ДГ в редкоземельных ортоферритах, построению на этой основе качественных физических моделей.

В первой главе изложены сведения о магнитооптических свойствах ортоферритов редкоземельных элементов и иттрия, а также сравнительный анализ аналогичных свойств других представителей слабоферромагнитных материалов -ЕеВОз и а - Ре2Оз Обсуждаются возможности наблюдения высококонтрастных доменных структур на основе магнитооптического эффекта Фарадея. Проведен обзор теоретических работ посвященных динамическому и вероятностному подходам к анализу экспериментальных данных по движению ДГ.

Во второй главе проведен сравнительный анализ методов исследований и, исходя из целей настоящей работы, сделан обоснованный выбор в пользу метода двухкратной высокоскоростной микрофотографии. Достоинством данного метода является отсутствие необходимости в точной синхронизации импульсов продвигающего магнитного поля и световых импульсов. В этой же главе представлено описание экспериментальной установки, реализующей данный метод. Обоснован выбор для исследований образцов редкоземельных ортоферритов, способы их приготовления и обработки. Учтено влияние ростовых неоднородностей магнитной природы, представляющих собой периодический магнитный рельеф кристалла, на динамическое поведение ДГ.

В третьей главе проведен анализ результатов экспериментов по исследованию полевых зависимостей у(Н) скоростей движения ДГ в редкоземельных ортоферритах: ЕиЕеОз, ТтРеОз, ЬиЕеОз, ОуРеОз и УРеОз. В исследованиях на образцах редкоземельных ортоферритов было определено влияние редкоземельных элементов на динамические свойства этих слабых ферромагнетиков. Проведен анализ зависимости значений предельных скоростей движения ДГ С для редкоземельных ортоферритов (РЗО) разных составов, магнитной и кристаллической конфигураций: ЕиГеОз, ТтРеОз, ЬиРеОз БуРеОз в сравнении с УГеОз

В качестве физической модели, объясняющей нелинейный характер движения ДГ, обоснованно выбрана и применена вероятностная модель [3]. ДГ движется в

условиях магнитной периодической неоднородности, которая определяет возникновение метастабильных минимумов энергии. Переход ДГ между ними осуществляется изменением управляющего параметра - магнитного поля. Помимо этого, для ДГ, как для динамической системы, существует глобальный минимум, возникновение которого определяется динамическими свойствами ДГ. Управляющим параметром для выхода ДГ из него является скорость ДГ. В результате такого рассмотрения переход ДГ между отдельными участками АН; с постоянными скоростями на зависимости у(Н) происходит в две стадии: на первой из них действует принцип максимального промедления, что ведет к возрастанию АНЬ на второй -принцип Максвелла, когда наблюдается переход ДГ между некоторыми АН^ В этой же главе представлены результаты исследований динамической деформации ДГ на околозвуковых скоростях. Экспериментально показано, что в окрестности звука от ДГ может отделяться локализованная упругая деформация.

В четвертой главе проведено качественное рассмотрение экспериментально наблюдаемых скачков скорости ДГ между отдельными АН]. Установлены скорости, когда возникает такой переход - 4, 8, 12 и 16х103 м/с - в УГе03 и 3.6, 8, 12х103 м/с - в ТшРе03. Этот переход сопровождается скачкообразным же изменением радиуса неодномерных образований на ДГ. Исследовано поведение динамической ДГ при потере устойчивости, которое проявляется в резко нестационарном движении ДГ, когда ее скорость (при существующем временном разрешении) не может быть достаточно точно определена. Такое состояние ДГ характеризуется формированием промежуточного, в отличие от нормального, магнитооптического контраста. Физическая модель, качественно описывающая поведение ДГ в момент потери устойчивости, анализ условий его возникновения, приведенные выше характерные параметры, а также подход к динамической ДГ, как к уединенной волне намагниченности частицеподобного вида, позволяет предположить, что она имеет некоторую аналогию с явлением макроскопического квантового туннелирования [15, 16].

ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ СЛАБОФЕРРОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТИПА ОРТОФЕРРИТЫ

1.1. Кристаллические и магнитооптические свойства слабых

ферромагнетиков

Среди достаточно большого многообразия магнитных материалов особый интерес представляют неколлинеарные антиферромагнетики, имеющие перовскитоподобную кристаллическую структуру с орторомбическими искажениями. В

34*

качестве основного магнитного иона в них выступает Fe . Наиболее изученным подобными магнетиками являются ортоферриты - RFe03, гематит - а - Fe203 и борат железа - ЕеВОз. В ортоферритах в качестве R вступают редкоземельные металлы, а также Y.

Кристаллическая структура редкоземельных ортоферритов (РЗО) может быть представлена искаженной перовскитоподобной структурой. В его орторомбическую элементарную ячейку входят четыре иона Fe3+. Все ионы Fe3+ размещаются практически в центрах октаэдров, образованных ионами О Редкоземельные ионы

находятся в центрах простых кубов, образованных ионами Fe3+, и окружены,

>>

следовательно, двенадцатью ионами О размещенными в центрах ребер этих кубов. Таким образом, соединения RFeÜ3 имеют кристаллическую решетку, изоморфную кубической структуре минерала перовскита СаТЮ3. В обозначениях Шенфлиса кристаллическая структура РЗО может быть отнесена к пространственной группе D Ц, которая представлена на рис. 1. Среди ее элементов симметрии три оси второго порядка: С2а, С2Ь, [001 ]2с. В каждой элементарной ячейке размещается четыре формульные единицы RFe03, то есть четыре иона Fe3+ на элементарную ячейку. Ионы Fe3+ находятся в октаэдрическом окружении кислородных ионов, а ионы R3+ находятся в центре кислородных додекаэдров. Так как величины ионных радиусов Fe3+ и R3+ различны, то в кубической решетке перовскита возникают ромбические искажения, и решетка становится ромбоэдрической.

Для сравнения пространственная группа симметрии бората железа - РеВОз

представлении единичной ячейки кристаллической структуры расстояние между соседними слоями равно С/12, слои перпендикулярны оси третьего порядка - [001] (С3). Ось [100] (С2) - совпадает с одной из осей второго порядка. Атомы железа располагаются только в четных слоях, каждый из них находится в непосредственном окружении шести атомов кислорода. Атомы кислорода, окружающие атом железа, образуют вершины почти правильного октаэдра, составляя близкую к гексагональной плотную упаковку. В отличие от РЗО в РеВОз на одну элементарную ячейку в ромбоэдрическом представлении кристаллической решетки приходится только две формульные единицы. Однако для РеВОз используется еще и гексагональное п