Исследование восприимчивости мелкодисперсных магнетиков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.И. УЛЬЯНОВА - ЛЕНИНА

На правах рукописи

? Л Г'П .-~.-7

УДК 538.955-405; 537.621.4

ИСАВНИН АЛЕКСЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСПРИИМЧИВОСТИ

МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ МАГНЕТИКОВ

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

КАЗАНЬ - 1997

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Казанского государственного университета имени В.И.Ульянова-Ленина

Научный руководитель :

доктор физико-математических наук, профессор Э.К.Садыков.

Официальные оппоненты :

доктор физико-математических наук, профессор А.В.Митин (Казанский филиал МЭИ),

кандидат физико-математических наук, О.В.Недопекин (КГУ).

Ведущая организация :

Казанский физико-технический институт КНЦ РАН.

У*

1997 г- в

еО

Зашита состоится

часов на заседании диссертационного совета Д 053.29.02 при Казанском государственном университете им. В.И.Ульянова-Ленина по адресу : 420008, г.Казань, ул. Кремлевская 18.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского государственного университета.

Автореферат разослан " ¥ " . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, 9

профессор М.В.Еремин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследования. Малые магнитные частицы обладают специфическими, зачастую уникальными, особенностями и определяют характеристики таких материалов, как магнитные основы для записи и хранения информации, феррожидкости, кластерные структуры, пигменты красителей, некоторые катализаторы и т.д. Основные эффекты, характерные для системы малых (размером 5-50 нм) частиц являются следствием, прежде всего, того, что такая частица обычно образует единственный магнитный домен. При уменьшении размеров однодоменных частиц возрастает вероятность того, что тепловое движение в самой частице приведет к неустойчивости ее намагниченности; при этом магнитные моменты атомов остаются параллельными друг другу, а направление суммарного магнитного момента флуктуирует. Это явление получило название суперпарамагнетизма 11]. Другой специфической чертой малых объектов является относительно большое удельное количество атомов, расположенных вблизи поверхности частицы (для частиц размером менее 10 нм доля таких атомов составляет примерно 10-15%) , что также может оказывать существенное влияние на их физические свойства [2]. Существует еще одна интересная особенность, характерная для малых магнитных частиц, - возможность квантового туннелирования вектора магнитного момента частицы из метастабильных состояний, обусловленных магнитной анизотропией [31. Подобные

особенности физических свойств малых магнитных частиц интересны сами по себе и, в частности, приводят к качественному изменению отклика таких магнитных систем на внешнее возмущение [4]. Таким образом, процессы перемагничивания и изучение поведения мелкодисперсных магнитных систем в переменных полях представляют собой одну из важных областей исследования магнитных материалов. В последние годы появился ряд работ, например [5,6], по стохастическому резонансу (СР) -явлению, заключающемуся в прохождении через максимум отклика бистабильной системы на внешнее' периодическое возмущение при монотонном увеличении интенсивности шума. Так как малая ферро (ферри-) частица с магнитной анизотропией типа "легкая ось" (ЛО) представляет собой пример бистабильной системы, двум устойчивым состояниям которой соответствуют две противоположные ориентации ее магнитного момента вдоль оси легкого намагничивания, то справедливо предположение о возможности реализации СР в такой системе. Концепция СР была впервые перенесена в область мелкодисперсного магнетизма в работах 17-9], где были предложены также возможные экспериментальные методы по наблюдению эффекта СР в малых магнитных частицах. В этих работах рассматривался тепловой шум - нэдбарьерные скачки вектора намагниченности. Подбарьерные (туннельные) переходы в мезоскопических контактах в условиях СР

изучались в [10]. В работе [11] рассмотрен случай чисто квантового шума (при полном отсутствии термической активации), природа которого определяется явлением макроскопического квантового туннелирования намагниченности. Возникновение такой ситуации в системе однодоменных одноосных частиц возможно при наличии внешнего постоянного магнитного поля, приложенного перпендикулярно JIO.

Цель работы. Основной замысел всей работы состоит в систематическом исследовании динамики намагниченности мелкодисперсных магнитных систем в условиях СР. Мы ставим перед собой следующие задачи :

- Анализ поведения намагниченности системы суперпарамагнитных частиц с магнитной анизоторопией типа JIO, подверженных воздействию переменного поля. Обнаружение условий реализации явления CP в такой системе, определение оптимального диапазона изменения внутренних и внешних параметров, в котором достигается максимальный эффект СР.

- Рассмотрение динамической восприимчивости в системе суперпарамагнитных частиц в условиях СР. Учет непрерывного изменения вектора магнитного момента. Исследование явления CP с точки зрения возможного механизма усиления переменного сверхтонкого поля в мелкодисперсных магнетиках.

- Изучение подбарьерной (туннельной) динамики намагниченности малых магнитных частиц. Рассмотрение на ее основе явления CP в системе однодоменных частиц при слабой термической активации и при полном ее отсутствии. Определение параметров реальных магнитных систем, позволяющих наблюдать CP в квантовом режиме.

Научная и практическая ценность. Анализ явления CP

позволяет определить область максимального взаимовлияния шума и сигнала в магнитной системе. В этих условиях происходит качественное изменение характера ряда известных проявлений магнетизма. Например, по качественно новому механизму осуществляется перемагничивание таких материалов, следует также говорить об особом характере изменения сверхтонкого поля в них под влиянием внешнего переменного поля. Явление CP, будучи по существу фундаментальным свойством магнитных систем в определенных условиях, может в дальнейшем составить основу метода исследования большого класса магнитных материалов, результата их обработки, процессов деградации и т.д. Научная апробация. Основные результаты работы докладывались на семинарах кафедры физики твердого тела КГУ, ежегодных итоговых научных конференциях КГУ в 1994-1997 г., а также на

- Пятом международном совещании по ядерно - спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий, сентябрь 1993, г.Дубна.

- Двадцать седьмом конгрессе "AMPERE", август 1994, г.Казань.

- Второй республиканской конференции молодых ученых и специалистов, июнь 1996, г.Казань.

- Республиканской научной конференции "Проблемы энергетики", февраль 1997 г., Казань.

Работа выполнена при частичной поддержке Международного

Научного Фонда (гранты NN7000, NN1300) и Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 95-02-05762). Публикации. По-теме диссертации опубликовано 5 статей и 10

тезисов докладов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения,

четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 122 наименований. Общий объем работы - 135 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обосновывается выбор темы, ее актуальность и значение, формулируются цель и задачи исследования.

В первой главе раскрывается смысл и физическая основа явления стохастического резонанса как общестатистической концепции. Дается обзор и описание некоторых исследований, проведенных ранее в области СР. Здесь же приводится краткое ознакомление с теоретическими методиками и моделями, используемыми для описания динамики (дискретной или непрерывной) системы в условиях СР. Отдельное внимание уделено работам по изучению эффекта СР в магнитных системах. Описаны возможные способы стохастического перемагничивания однодоменной частицы, основанные на эффектах суперпарамагнитной релаксации и макроскопического квантового туш копирования намагниченности. Приведены несколько аналитических выражений, полученных ранее различными авторами, описывающие скорость выхода вектора магнитного момента из метастабильных состояний, которая является ключевой величиной при использовании дискретной модели описания поведения намагниченности.

Во вторбй главе рассмотрен механизм реализации СР в системе суперпарамагнитных частиц с магнитной анизотропией' типа ЛО, определяемый надбарьерными переходами вектора магнитного момента в условиях термической активации системы. В рамках модели дискретных ориентаций получены аналитические выражения для автокорреляционной ' функции, спектральной плотности, отношения сигнала к шуму, динамической магнитной восприимчивости. Показано, что результаты полностью согласуются с теорией линейного отклика. Получены характерные для СР колоколобразные зависимости компонент магнитной восприимчивости и отношения сигнал/шум от интенсивности шума (температуры). Исследовано влияние изменения внутренних и внешних параметров системы на динамику ее намагниченности в условиях СР. Рассматривается возможность использования явления СР в качестве механизма усиления переменного сверхтонкого поля. Приведены некоторые

замечания, касающиеся выбора реальных образцов для наблюдения в них явления СР.

В третьей главе раскрыты недостатки

квазиадиабатинеского приближения и показана необходимость учета непрерывности динамики системы, в частности, для более точной интерпретации данных эксперимента. Представлена модель непрерывной диффузии вектора магнитного момента малых магнитных частиц с магнитной анизотропией типа "легкая ось" в условиях внешней модуляции радиочастотным полем. Вычисляется непосредственно функция распределения для магнитного момента частицы на основе решения соответствующего уравнения Фоккера-Планка. Расчеты произведены численным методом с использованием техники непрерывных матричных дробей. Такой подход позволяет определять величину восприимчивости единым образом во всем температурном диапазоне. Кроме того, данный метод свободен от ограничений, накладываемых моделью дискретных ориентаций: требование высокого потенциального барьера, малости амплитуды внешнего сигнала и условие низкой частоты модуляции. Результаты непрерывной модели сопоставляются с результатами модели дискретных ориентаций, расхождение составляет приблизительно 10-15% по абсолютной величине магнитной восприимчивости. Использование непрерывной модели приводит также и к другому результату по сдвигу фаз между вектором намагниченности и внешним переменным полем получена немонотонная температурная зависимость фазового сдвига. Приближение дискретных ориентаций дает только монотонное его уменьшение, так что результаты двух различных моделей совпадают лишь в области достаточно высоких температур.

Четвертая глава посвящена изучению подбарьерного (туннельного) механизма реализации СР в системе однодоменных частиц. В отличие от надбарьерного (классического) случая, туннельные переходы в одноосных системах невозможны без дополнительного постоянного магнитного поля, приложенного перпендикулярно ЛО, причем скорость туннельных переходов зависит от величины этого поля. Нами предложена аналитическая модель, позволяющая описать туннельные переходы в модулированном бистабильном потенциале. В рамках этой модели мы прежде всего вычисляем скорость туннелирования вектора намагниченности из метастабильного состояния. На основе численных расчетов мы убедились, что наш результат является более корректным, по сравнению с результатами других авторов. Другая специфика нашей модели особенно важна при температурах, стремящихся к нулю. Так, например, вычисления магнитной восприимчивости и отношения сигнал/шум системы при температуре абсолютного нуля с учетом этой особенности приводят к результатам,- на два порядка превышающим прежние. Изучено поведение системы и при отличных от нуля конечных температурах, что достигается учетом

возможности туннелирования не только со дна потенциальной ямы, но и с более высоких уровней. Основные соотношения получены аналитически в рамках модели дискретных ориентаций; проводится проверочное сравнение с результатами численного моделирования. Эффекты квантового туннелирования

намагниченности максимально проявляются на образцах с размерами от 2 до 5 нм ниже температуры кроссовера (перехода от надбарьерного к подбарьерному механизму), не превышающей 0.010.1 К.

Научная новизна и основные результаты диссертации, выносимые на защиту.

- На основе приближения дискретных ориентаций получены аналитические выражения для основных характеристик пиления СР в системе суперпарамагнитных частиц: динамической магнитной восприимчивости, отношения сигнал/шум. Изучено поведение данных характеристик при различных параметрах системы. Показано, что коэффициент усиления переменного сверхтонкого поля в системе суперпарамагнитных частиц имеет температурную зависимость типа СР.

- Разработана модель непрерывного изменения вектора намагниченности малых легкоосных частиц на основе уравнения Фоккера-Планка с периодически зависящим от

времени дрейфовым слагаемым. Данная модель позволяет получить более точные значения характеристик СР, что особенно важно при интерпретации данных эксперимента. Произведен прямой учет феноменологического параметра затухания прецессии вектора намагниченности.

- Динамическая восприимчивость вычислена численным методом (с использованием техники цепных матричных дробей) с выходом за рамки теории линейного отклика. На основе непрерывной модели получена немонотонная температурная зависимость фазового сдвига динамики вектора намагниченности. Произведено сравнение результатов непрерывной модели с результатами квазиадиабатического приближения.

- В рамках дискретной модели вычислены динамическая магнитная восприимчивость и отношение сигнал/шум системы однодоменных частиц при полном отсутствии термической активации, когда динамика системы определяется подбарьерными (туннельными) переходами вектора намагниченности. Показано, что СР в таком квантовом режиме возможен только при наличии дополнительного постоянного магнитного поля, приложенного перпендикулярно ЛО однодомешюй частицы.

- Оценено влияние отличных от нуля конечных температур на эффекты квантового туннелирования намагниченности однодоменных частиц в условиях СР. Получена аналитическая модель описания динамической (периодической) скорости туннелирования вектора магнитного момента, учитывающая

особенности квантовой системы. Определена критическая температура, выше которой преобладает нэдбарьерный механизм перемагничивания.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Brown W.F. "Thermal fluctuation of a single domain particle" // Phys.Rev. 1963, Vol.130, N 5, p.1677-1686.

2. Bodker F., Morup S., Linderoth S. "Surface effects in metallic iron nanoparticles" // Phys.Rev.Lett. 1994, Vol.72, N2, p.282-285.

3. Chudnovsky E.M., Gunther L. "Quantum tunneling of magnetization in small ferromagnetic particles" // Phys.Rev.Lett. 1988, Vol.60, N8, p.661-664.

4. Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. "К теории дисперсии магнитной восприимчивости мелких частиц" // ЖЭТФ 1974, т.67, вып. 3(9), с.1060-1073.

5. Mcnamara В., Wiesenfeld К. "The theory of stochastic resonance" // Phys.Rev.A 1989, Vol.39, N9, p.4854-4869.

6. Jung P., Hanggi P. "Amplification of small signals via stochastic resonance" // Phys.Rev.A. 1991, V.44, N12, p.8032-8042.

7. Сздыков Э.К. "Стохастический резонанс в мелкодисперсных магнетиках" // ФТТ 1991, т.ЗЗ, N 11, с.3302-3307.

8. Садыков Э.К., Скворцов А.И. "Мессбауэровские спектры р.ч. модулированных магнитных стохастических бистабильных систем" // Письма в ЖЭТФ 1990, т.52, N 2, с.752-755.

9. Скворцов АИ., Садыков Э.К. "ЯМР отклик системы суперпарамагнитных частиц, модулированных р.ч. полем" // ФТТ 1992, т.34, N 11, с.3602-3604.

10. Lofstedt R., Coppersmith S.N. "Quantum stochastic resonance" // Phys.Rev.Lett., 1994, Vol.72, N13, p.1947-1950.

11. Григоренко АН., Конов В.И., Никитин П.И. "Магнитостохастический резонанс" // Письма в ЖЭТФ, 1990, т.52, вып. 11, с.1182-1185.

Публикации по теме диссертации.

1. Сздыков Э.К., Скворцов Л.И., Антонов Ю.А., Исавнин А.Г. "Об одном механизме усиления сверхтонкого поля на ядре" // Известия РАН, серия "физика", 1994, т.58, N4, с. 101-104.

2. Садыков Э.К., Исавнин А.Г. "Усиление переменного магнитного поля в системе мелких магнитных частиц" //

Физика твердого тела 1994, т.36, N 11, с.3473-3475.

3. Садыков Э.К., Исавнин А.Г. "К теории динамической машчпюп восприимчивости одноосных суперпарамагнитных частиц" // Физика твердого тела 1996, т.38, N 7, с.2104-2112.

4. Sadykov Е.К., Isavnin A.G. "Hyperfine field response to RF excitation in superparamagnetic particles" // Hyperfine Interactions 1996, V.99, p.415-419.

5. Садыков Э.К., Исавнин А.Г., Болденков А.Б. "Эффекты квантового туннелирования намагниченности в системе однодоменных частиц" // Депониров. в ВИНИТИ 30.10.96,

№ 3I57-B96, 38 с. Библ.: 27 назв., Казанский университет.

6. Садыков Э.К., Скворцов А.И., Антонов Ю.А., Исавнин А.Г. "Об одном механизме усиления сверхтонкого поля на ядре" // Тезисы докладов "5-го Международного совещания по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий", Дубна, сентябрь 1993, с.110.

7. Sadykov Е.К., Isavnin A.G. "Stochastic resonance in small-particle magnetic systems" // Abstracts of the 6th Joint "MMM-Intermag" Conference, June 20-23, 1994, Albuquerque, USA, DQ-13, p. 285.

8. Sadykov E.K., Antonov Yu.A., Isavnin A.G. "Stochastic resonance in fine magnetic particles: the possible method of investigation" // Digests of "INTERMAG-95", April 18-21, 1995, San-Antonio, USA, FR-I4.

9. Sadykov E.K., Antonov Yu.A., Isavnin A.G. "Stochastic resonance phenomenon in fine dispersed magnetic materials" // Тезисы докладов XXVII Международного конгресса "AMPERE", Казань, август 1994, с.317-318.

10. Sadykov Е.К., Antonov Yu.A., Isavnin A.G. "The possible mechanism of inducing the alternating hyperfine field" // Тезисы докладов XXVII Международного конгресса "AMPERE", Казань, август 1994, с.319-320.

11. Sadykov E.K., Antonov Yu.A., Isavnin A.G. "Mossbauer spectra of RF modulated supeiparamagnetic particles" // Abstracts of "ICAME-95", September 10-16, 1995, Rimini, Italy, 03-C.3.

12. Sadykov E.K., Antonov Yu.A., Isavnin AG., Alexeev S.A. "Hyperfine field response to RF excitation in supeiparamagnetic particles"// Abstracts of"HFI-10" Aug.28-Sept.l., 1995, Leuven, Belgium, P138-TU.

13. Исавнин А.Г., Болденков А.Б. "Эффекты квантового туннелирования в мелких магнитных частицах" // Тезисы докладов II Республиканской конференции молодых ученых и специалистов, 28 июня - 1июля 1996, Казань, с.70.

14. Sadykov Е.К., Isavnin A.G., Boldenkov А.В. "Effects of

• macroscopic quantum tunneling in single domain particles" // Abstracts of 41 Annual "МММ" Conference, Novem. 12-15, 1996, Atlanta, Georgia, USA, DS-15.

15. Исавнин А.Г., Бодденков А.Б., Садыков Э.К. "Квантовый стохастический резонанс в однодоменных магнитных частицах" // Материалы докладов республиканской конференции "Проблемы энергетики", 5-7 февраля 1997, Казань, с.49.