Статические и динамические свойства п 1 2п магнитных доменных стенок в ферромагнетиках с сильной анизотропией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Г I э ин

2 О ИЮН 189'}

М1Н1СТЕРСТВЬ ОСВ1ТИ УКРА1 НИ ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

ДЖЕЖЕРЯ Юр1 й 1 ванович

УДК 538.221

СТАТИЧН1 1 ДИНАМ 1ЧН1 В Л АСТИВОСТ1 п 1 2п МАГН1ТНИХ ДОМЕННИХ МЕЖ В ФЕРОМАГНЕТИ-КАХ 3 СИЛЬНОЮ АН130ТР0П1еЮ

Спец1альн1сть 01.04.02 -теоретична ф1зика

Автореферат дисертац11 на здобуття вченого ступешо кандидата ф1зико-математичних наук

Донецьк - 1994

Робота bu кона! га в Донецькому державному ун1верситет1.

Науков1 кер1вники: доктор ф1зико-математичних наук Ю. I. Горобець кандидат ф1зико-математичних наук В. 1.Ф1нох1н

Оф1ц1йн1 опоненти: доктор ф1зико-математичних наук С. I. Денисов доктор ф1зико-математичних наук 0. JI. Сукстантсысий

Пров1дна орган1зац1я - СКТБ Дон ФТ1 АквдвмН наук. Укра1ни

Захист в1дбудеться & £ 1994 р. о /У0** годин1 ira зас1данн1 спец1ал1зовано! ради К 068.06.01 по присудженню вчених ступеШв Донецького державного ун1ворситету.

Адреса 340055, м.Донецьк, вул. Ун1верситетська, 24

3 дисортац1ею можно оэнайомитися в б1бл1отвц1 Донецького державного уШверситету.

Автореферат роз1слания'"А2" & 1994 р. ВтениЯ секротар спец!ал1зопано1 рада-

кандидат ф1эшсо-матеыатичних наук 0. е. Зюбанов

-

Загаяъна характеристика робота

Добре в1домо, що найб!льш суттев1 властивост1 феромагн1тних матер1ал1Б пов'язан! з 1с1гувашшм в них доменно! структури, яка впливае на р!зноман1тн! процеси, як1 ыають ы1сце в ус1х феромапйтних системах.

Вивчення окремих елемент1в ц1е1 структури,в свою чергу, спряяло розвитку теорИ нел!н!йних явщ в ф!зиц1 та математично! теорИ нел!н!йшх р1внянь.

3 практично! точки зору зац1кавнен1сть у досл!дженн! властивостей домешягх структур полягае у тому, що вони використовуються в багатьох галузях сучасно! м1кромагн!тно! електроники: п1д час створення м!кромагн1тних прилад1в, в магн1тооптиц1, 1 головне, вони залишаються перспективною основою для створення накопичувалъних прилад1в пам>ят1 електронно-обчислювальних машин. Як!сний розв1ток концепцИ побудови блоку паы'ятЗ. 1 спроби переходу до використання ЦМД -технологи потрейуе розвитку р1вню теоретичних досл1джень процес1в фунщ1онуванш накопичувалъних прилад1в. Особливо зараз, коли мова 1де про використання в якост1 каналу накопичення внутр1шньо1 структури доменних меж (ДМ).

П1д час проектування прилад1в гостро сто'1ть питания про 1снування, ст1йк1сть, динаы1чн1 властивост1 окремих доменних структур 1 меж, що використовуються в якост1 1х структурних елеыент1в. Зараз в!дома велика к!лыс1сть теоретичних 1 експериментальних роб1т- в яких розглянут1 ц1 питания. 3 п1дсуыком головних результат1в у цьому напрямку ыожна ознайомитись наприклад у П-31.

Ц1ль досл1дженнь, розглянутих в дисертац1йн1й робот! полягае у комплексному вивченн1 властивостей таких нел1н!йних утворень, як п 1 2п доменн1 меж1 п1д впливом зовн1шн1х магн1тних пол1в,руху у пол! локалГзованих дефект1в магн1тно! структури феромагнетику та 1нше.

Наукова новизна. В дисертац1йн1й робот! були отриман! :сл!дуюч1 нов! результата:

I. В межах модел! двохв!сного феромапйтного матер!алу

вс-ановлен1 1 розглянут1 спект ралый . .характеристики сп1нхвильових збурень широбок1всько! структури 2л ДМ, як у в1нтеровському наближенн1, так 1 при повному розгляд1 впливу мапйтостатично! взаемодИ, що дозволило визначити:

а) присутн1сть двох слектральних в1т розд1лених м!ж собою енергетично'ю щШшою, яка пропорцШга власн!й. частот! коливань 'зв'язаного стану двох ОлохХвських ДМ, що з'являеться п1д час розщ1шге'шм траисляц1йш:х в!т п1д влливоь зовн1шнього поля зм1щення;

б) точну залежнЮть величини ц!е! щ1лини в1д зовн1шн1х та внутр!шн1х параметр1в феромагн!тно! речовиш;

в) уточнене" значения критичного поля зм1щення, при досягненн! якого внутр1шия структура стае нест!йкою до згибних збурень, та пер!одичний характер 1х розвитку;

г) вплив планарних компонент1в зовн1шнього поля на структуру 1' CTifiKlcTb 2п дм, та зас!б ефективного впливу на мех1 ст1йкост1 означено! структури.

2.' Тензор динам1чно! мапйтно! сприятливост! феромагнетика з 2* ДМ в област1 частот значно нижчих н1ж частота однор1д}гго феромагн1тного резонансу та можлив!сть виникнення резонансних явищ, як1 супроводауються значним п!двшценням ампл!туди пульсуючих коливань намапйленост! 2п ДМ.

3. Залежйсть максимально! швидкост! руху 180° уокеровсько! доменно! меж1 при точному " врахувант мапйтостатично! взаемодИ, та силу гальмування ДМ на всьому 1кгервал1 швидкостей.

4. Характеристика витрат енерг11 ' уокеровсько! ДМ, що рузсаетгся у пол1 випадково розпод!лених дефект1в 1 вялив на них товщини зразку.. •

До захисту пропсчуються сл1дуюч1 результата

1. Довгохвильове наближення до спектру збудженого :тану пшробок1всько1 структури 2л ДМ у двохв!сному (Ьбромагнетику з сильною легков1сною компонентою.

2. Визначення пер1одичного ' характеру перетворення ■м1кромагн1тно!'структури п1д вшивом зовн1шн1х магн1тних. пол1в, та тензор данам!чно! сприятливост! системи з 2я да.

3. Д1аграму ст1йкост1 2я ДМ у зовн1шньому магн1тному пол1, параде чьному площин1 меж1.

4. Уточнения до уокеровсько! швидкост1 180° ДМ у двохв1сному феромагнетику, що мае магн1тостатичне походження.

5. Силу гальмуваннн ДМ в термостат! теплових магнон1в та потужн1сть випром1нювання сп1нових хвюгь 180° доменной межою,, ш,о рухавться у пол1 локал1зованих, випадково-розпод1лених дефект!в магн1тно! структури.

Наукова та практична ц!нн!сть дисертад1йно! роб ith полягае в тому, що результата досл1джень вносять додаток v математичну основу теорИ ф!зики доменних меж 1 можуть сприяти розробц! та створенню окремих вузл1в залам«ятовуючих прилад1в де в якост1 функц1ональних елемент1в використовай. досл!джен1 структури.

Апроб?"1я_ро0дти. Матер1апи в1дпов1дних розд1л1в дисертац1ййо1 роботи докладались у Ташкент1 на XIX Всесоюзна конферейцИ з ф1зики магн1тних явщ у 1991 роц1.

Публ1кац11. OchobhI матер1али дисертац1йно1 роботи вадрукован! у п^яти роботах.

Структура 1 об'ем робота. Дисертац1я складаеться з вступу , "отирьох глав, заключения, трьох додатк1в, Малюнк1в та списку л1тератури. Загальния ои»ем • роботи складаеться з1 110 стор1нок включно з десятьма малюнками. Список Мтератури м1стить поряд 107 назв.

Зм1ст роботи.

У вст,гп1 розкрита актуальШсть вибрано! теми, сформульована ц1ль роботи, вказан1 нов1 вайб1льш сутьтев1 результата залропонован1 до розгляду, подан1 . ochobhI положения дисрптацИ, розкрит1 структура 1"зм1ст роботи за розд1лами.

В першому роздШ вказано на загальн1 особливост1 досд1джень доменних меж р1зних тш1в, як1 розглянут1 у ро0от1- Розпод1лення наыагн1чення були визначен1 кутами сферично! системи координат, пов'язанимри з компонентами вектора намапйчення сп!вв1дношеннями:

Й = М/» = *

О

("СОВ в

б 1л с Б1п Г> е1п е сое

; сов * в1л X а

де * = -в1п * сое X 0

: 0 О 1.

11 - вектор намапйчення, *о- намагнАчевигт шсичення, * - кут розвороту намапйчення у шгощин1 ХОХ, в 1 »>_ - полярний та азимутальний куги у сферичной систем1 координат з полярного в1ссю в плошлн1 УОХ, повернутою в1дносно ос1 ОХ на ж-

В окремому випадку для модел1 двохв1сного феромагнетику густина енергИ .мае вигляд:

( <* гоигг р , е , И* -»-» 1 Щ « I _ I _ 1 М» 4: Г. & 4 _ ш I , ' I; 2 2 ' г * 8п )

(2>

де 6L.ft.p- лост1йн1 обм1нно1 взаемодИ, легковЮго! 1

■ -»

ромб1чно1 ан1зотроп11 в1дпов1дно , № - власне

мапйтостатичне поле зразку, № - зовц1шне мапйтне поле.

Розглянут1 динам1чн1 1 статичн1 властявост! широбок1всько1 структура 2л дм, яка у терм1вах в, р. * мае вигляд:

(т^гЬН1!]

(3)

де + -»

характерна мапйтна довжина, с=(р±Ап)/р«.\,

Ь=Н/р*Ис - приведене нагн1тне поле.

Ця структура утворшться • у двохв!снйх феромагйтних ^ системах при найм1 поля зм1щення. Для не1 в мехах теорИ збурень [9,10] отриман! 1 проанаШзоваЩ спектральЩ

характеристики ' сп1нхвкльових збурень.

У першому п1дрозд1л! сформульована модель двохв1сного феромагнеттса, яка вивчалася у робот!, та був визначешй зас1б опису стану намагн1ченост!.

У другому п1дрозд1л1 розглянута структура намапйчення 2л да у в1дсутност1 планарних компонент!в зовн1шнього магн1тного поля Нк, Н^ (3). При цьому звернена увага на т1с.Ш1й зв'язок математичного оггису л ДМ <5лох1вського типу ! структури 2п дм, запропонован1 р1зн1 засоби визначе1шя товщини 2п дм 1 означен1 умови 1х застосування.

В результат! л1н!ар!зад11 р!внянь Ландау-Л1фшиця(Л.-Л.) 61ля широбок1вського р1шення (3) отримана система 1нтегрод1феронц!йних р1внянь для малих динам1чних збурень, що може бути розв'язана методами теорИ збурень у довгохвильовому наближенн!.

Точн1сть проведених розрахунк1в дозволила отримати довгохвильове наближення, що включае члени пропорц1йн1 с2, до дисперс1йних сп1вв1дношень згибких та пулъсуючих коливань р1вноважно! структури 2л дм, як1 мають сл1дуючий вигляд:

М 1*1 I

О I р )

2п '

-Й

2..

4л"]" *

(1-211 )— *

(4-1)

2пге +

'12

+ С

8я *

(1+^Ь )*2+ — — Р *

(4.2)

де ыо=2р*^Мо/Ь, магнетон Бора. Е21= е^-гьДи^

Е42= б2Пг [1 - товщина 2л ДМ, «3=Й1,

Й - хвильовия вектор у площпй УОг.

Дисперс1йне сп1вв1дношення для не мае щ1лини, що ц!лком в1дпов1дае трансляц!йн!й !нвар1антност! системи ! визначае спектральн! властивост! згибних коливань 2л ДМ.

Сп1вв!дношення для «г мае щилину, яка утворюеться при

зникнешй. виродження трансляц1йних р1вней двох 180° Слох1вських ДМ п1д впливом зовн1шнього поля зм1щення 1 дор!внюе

Л =

—

» . 2

(5)

Уасоби розрахунку фур»е - образ1в коеф1ц1ент1в магн1тостатичнэго походження, що пояснен! у додатку 2 не дають можжвост1 просМдкувати грашчния перех1д »0-

0собливост1 дисперс1йних сп1вв1дношень зображеШ. на малюнках 1-4.

мал. I

спектралый в1ти згибних коливань 2п дм в налрям1 ОХ при р13НИХ р1внях поля зм1щення.В1ти 3 в1дпов1да-ють Н = н".

мал. 2

спектралый в1ти згибних коливань 2л дм в напрям1 ОЪ при р1зних р1внях поля зм1щення.В1ти 3 в1дпо-в!дають Н =Н 4 Н *

В1ти розташоваШ у порядку зростання зовнПпнього поля.

а

а>А(*у)

'о ^

мал. о

спектралый в1ти пульсуючих коливань 2г ДМ в напрям1 01 при р!зних р!гнях поля Н •

СОЛ^г)

\ ;

1

—--— //Ъ

/у/

л,

0 -ае

мал. 4

спектрапый. в1ти пугъсуючих коливань 2л дм в 1гапрям1 ог при .р1зних р1внкх поля Н .

Шти розташоваШ. у порядку зменшення зовн1шнього поля.

Звернемо увагу на те, що дисперс1йн! властивост1 сп1нхвильових збурень суттево ан1зотропн1 у довгохвильов!й частин1 спектру.

Ц1 ефекти мають магн!тостатячне походаення. Вони приводять до того, що спектр згибних коливань стао комплексним для хвиль з хвяльовим вектором |*|.=яа/7»1 при досягнешй полем зм1щэння р!вня:'

Н = Н" - — Ы. к4(яа+4) .

« « р а

(б)

де

Н* = —

Мл 1- - с 1п о| 4

7)

У другому розд1л1 вивчаеться вплив зовнИпнього попарного мапйтного поля на структуру 2я ДМ. При найм! оОмежень, зроблених у робот!:

(7)

були. отримаш фазова д1аграма ст!йкост1 2п дм у пол1 паралельному площин! 2 л дм мал.5.

мая. 5

д1аграма ст!йкост1 2пДМ ° мапйтнсму пол! Н = (0,Ну,Нх). Область !снування 2п ДМ на малюнку закреслена.

1 поправки до розпод!лу намагн!чення п!д впливом зовн1шнього поля,. на п1дстав1 яких було отримано значения тензору д1нам1чно1 сприятливост1 феромаглетику з 2л дм, компонента якого мають вигляд

* = -1<* 7 и (п -ы )Я*18,

хк о о *

(8)

= -4«у1(«+1о< и +1-2еЬ -

х I ^ О ^ °Х

1 г ■ -

о/

2 ]

1Б,

А = -х = Ы! «*«7"1пг11 1Б,

к* *к О О оу

7 =«(сг-пг)-12оСоЫо[-«г+ "Х,(1-2Ив,- <*Ьоу/2)в) ],

де Б -. площа поверхн! 2л дм.

1нш1 компоненти тензору магн!тно1 сприятливост1 на л!дстав! зроблених наблтень,' в зв'язку з 1х мйл1стю,не

потралили до розгляду.

Анал1з иовед1нки тензору х.^«) вказуе на мо'жлив!сть резонансвдх явщ при наближенн! члстоти зовн1шнього поля до власно! частоти коливань зв'язаного стану блох1вських ДМ.

Трет!й розд!л I присвячений вивченно впляву магн1тостатично! взаемодИ на динам!чн! властивост! уокеровсько! доменно! меж! внутр1шня структура яко! визначаеться функц!ями:

г„Й> «2«*е»в вжрй-«„> (9)

де ?=ж/1% !%(«</< Г % р'=4Нряеов*х, значения х пов'язане з! шв»дк!стю пересування ДМ- сп1вв1дношенням:

«Г р* . V

- - ? = О- = - .— б1П*С08* = -Г- (10)

9х 2 » 1

О*

де - швидк1сть ДМ.

Саме тут був отриманий спектр згибних коливань з урахуванням магн!тостатики для 2я ДМ, яка рухаеться. 3 його анал!зу встановлен! обмеження 1га максимальну швидк1сть руху ДМ

-т

<г„ - V Г с

* так - 1 1 * 1 (Н>

Таким чином, говне урахування Шгн1 то статично! взаемодИ викликае. зменшення максимально! швидкост1, що як1сно п1дтверджують числешй. експерим.енталый .пошугог [б, 7]. Очевидно, що цей ефект повинен поглиблюватися в тому раз1, коли с—>1, гобто з п1двщенням рол1 магайтостатично! взаемодИ.

У другому п1дрозд1л1 був розглянутий предее. гальмування ДМ - при наяв1 взаемодИ 11 потенц1алу з. об'вмниии сп1нхвильовими коливаннями. При цьому значения сшш гальмування дор!внюеться

{38 • 45

V--Г--УО-У*)1'*

107 107

де ^ , -111 ? (5)=1.04...

кТ 107 5!С (5 ) (2*1 )' 144-

к - пост1йна Больцмана, Т - температура зразку у Кельвинах.

Бипадок коли V—>0 був розглянутий вхе ран1ше 18]. При цьому наолижешй. результат (12) в1дпов1дае висновками ц1е1 роботи.

Числов1 оц1нки характеристики гальмування, яка у випадку У«1 пов'язана з о*0 сп1вв1дношенням

А(Т)

*--(13)

Р Ц

о

для матер1ал1в з Но=10 Гс, «*=10"*, 1=10~т и, 1=300 К

мае порядок

<1а~ 10~т+ 10"° (14)

що, взагал1, значно нижче н!ж значения дисшгативних характеристик справжн1х криштал1в. Очевидно, що вклада мапйтортатичного поля не мають великого значения, а основний вплив належить 1ншиы механ1змам ы1ж яких гальмування на структурних дефектах.

Вивченню цього процесу присвячений четвертия розд1л дисертад1йно1 роботи. У 11 першому п1дрозд1л1 розглянуте гальмування я дм, яка рухаеться у слабодисипативному малозабрудненому середовишД.

3 р1внянь Л. -Л., що визначають диваы1ку намагн1ченнх були викпючеШ дисипативШ. характеристики речовини, а витрат! складалися з енергИ сп1нхвш!Ьових збурень, що виникают! п1д час единичного акту взаемод11 дефекту та ДМ. При цьом) були отриман1.залежност! потужност1 випром1нювання енергИ,■> ДМ в!д швидкост! 11 руху, як! зображен! на (мал. 6).

мал. 6

граф!к функц1йно! за-лежност! потужност1 витрат к!нетично! енергИ ДМ у пол1 дефект! в.

К,.!*, величши пропорцией. витратам у тон-к!й пл1вц1 1 необмеже-ному феромагяетику в!дпов!дно.

Перша крива ira мал.6 св1дчить про те, що п1д час руху п ДМ у необмеженому середовишД витрати енергИ зростають на початку по лин1йному закону, а пот1м при наближегой. до уокеровсько! швидкост1 починають зменшуватися. Цей ефект вгасликаний зменшенням енергИ збурень при велики-: швидкостях, що приводить до неможливост1 стац!онарного руху п1д впливом зовн1шньо1 сили з! ШВИДК1СТЮ вищою за критичну

7 -0,9... (15)

С

3 методично! точки зору ц1кавим е результат, що визначас витрати енергИ ДМ яка рухаеться у тонк!й пл1вц1. В цьому випадку потужтсть випром1нювання зменшуеться з п!двшценням швидкост1. Тому, взагал1, в межах модел!, використано! в цьому п1дрозд1л1 н1якого стацЮнарного руху ДМ п1д впливом зовнШйх сил виникнути не може.

Таким' чином, отряманий результат св1дчить про обмежеШсть модел! у розгляд! релаксац!йних процес!в в тонких

плйвках. .

Для сокращения засоС1в визначення характеристик гальмування у другому п1дрозд!л1 до р1внянь, олисуючих динам1ку намагн1ченност1 були введен1 релаксацию. члени у форм1 Плъберта 1 розглянуте середовще з пуасон!вськш розпод1лом крапкових дефект1в мапйтно! структури. Розгляд процес1в гальмування був обмежений швидкостяын V«!. При цьому вираз потужност! витрат п!д час руху ДМ у пол1 дефектов у головному наближенн1 по V мае вигляд:

ф _ « V П1а V { 4 * • , (16)

а т I аг , » (

де МУ)=*/{2*аУ)1У2>*Д, п - густина дефект1в, а4=0,1, аг=0,05, г -константа, яка характер1зуе усереднений показшк взаемодИ з дефектами, Ев- енерг1я блох1всько1 ыеж1.

Особлив1сть отриманих результат1в полягае у визначешд як1сно! залежност1 релаксад1йних властивостей матер!алу в1д .товщини, що в1дбиваеться у зм1н1 функц1онально1 залежност1 витрат в!д швидкост1 ДМ для окремих систем.

3 п1двиф,енням товщини пл1вки пов'язане зменшення релаксацП в систем!.. Це не входить у протир1ччя з численними експериыентальними досл1дженнями.

Звертаемо увагу на те, що для тонко! шйвки витрати на дефектах зменшуються при зросташй. «¿о, що пов'язано з1 зменшенняы амшИтуди деформац11 ДМ у дисипативному середовщ1.

У додатках до дисертац1йно! роботи показан1 найб!льш суттев'1 1 складн1 розрахунки.

У заключенн1' зформульован! результата 1 висновки дисертацИ.

I. Встановлений анал1тичн1 вирази спектральних в1т -улвсуючих 1 згибких коливань 2я дм, з анайзу яких були шшвлеШ.: ан1зотропний в длощин! ДМ характер його сп!нхвильових збурень,. уточнене критичне значения поля'

змИчення при.досягнет якого р1вноважна структура став не-стПгкою; перЮдичний характер леретворень ДМ при критичному зтаченн1 поля зм1щення.

2. Визнатегаяг вплив планарних компонента магн1тного поля, в площш1 ТОХ, як1 суттево знижують меж1 ст1йкост1 2п, ДМ. На п1дстав1 в1дпов1дних висновк1в • Оула побудована д1аграма ст1йкост1 ДМ в зовн1шньому пол1.

3. В результат1 досл1джень впливу 2л ДМ т частотн1 властивост! феромагн1тних матер1ал1в отриман1 в1дпов!дн1 поправки до 'значения тензору магн1тно1 сприятливост1 1 встановлена можлив1сть резонансних явищ в област1 частот значно нкжчих н1ж частота ФМР.

4. В межах теорИ збурень для уокеровсько! я ДМ розглянутия процес 11 динам1чного гальмування п1д час взаемодЛ з тепловими магнонами 1 полом вюгадково розпод1лених дефект1в феромагн1тного соредовища. При цьому були виявлен1 зм1ни релаксагДйних властивостей системи, шса м1стить уокеровську да в1д товщини зразка та зниження значения максимально! швидкост1 ДМ нижче уокеровсько! мея1 при врахуванн!.. магн!тостатично! ззаемод11.

OCHOBHI РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛ1КОВАН1 У СЛ1ДУГОИХ РОБОТАХ: Горобец И.И.,' Финохин З.И., Дхвтаря Ю.И. Тормогенив доменной' стенки в ферромагнетике с дефектами// УФЖ.-1991.- т: 36,- N 8.- с. I2I5-I220. Горобец Ю.И., Дяежеря Ю.И., Финохин В.И.Двккапяе 180-градусной домешюй стешси в поле случайно распродолоякгх дефектов//ФТТ.~ 1993.- т.35, N 2.- С. 335-342. Горобец Ю.И., Джежеря Ю.И., Финохин В.И. Влплггаэ магнитостатического поля на динамические свойства доменных стенок// УФЖ,- 1993.- т. 38, N2.- с.287-293, 'Горобец Ю.И., Финохин В.И., Дк^-юря Ю.И. Торможение ДО в ферромагнетике// XIX Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений.- Ташкент- 1991.- с.109. Джэяеря Ю.Л. Спектры спииволновых возчущэпий и неустойчивость полосового домена в поло сяощожея//

Т. 35~. У/О