Исследование нелинейных колебаний намагниченности, возникающих в процессе 90-градусного импульсного намагничивания плёнок ферритов-гранатов с плоскостной анизотропией

Введение

Важным фактором, сопровождающим переходные процессы в магнетиках, являются колебания намагниченности, возникающие при длительностях переходных процессов ~10-9 c. С одной стороны, эти колебания ограничивают быстродействие устройств на магнитных материалах и необходима разработка способов их подавления. С другой стороны, колебания несут важную информацию об основных взаимодействиях, оказывающих влияние на скорость и закономерности импульсного намагничивания и перемагничивания. Очевидно, что необходимо исследование причин, вызывающих эти колебания, и условий, при которых они возникают. До сих пор эти вопросы в основном исследовались в поликристаллических железо-никелевых плёнках. В данной работе исследуются нелинейные колебания намагниченности, возникающие при 90º-м импульсном намагничивании плёнок ферритов-гранатов с анизотропией типа «лёгкая плоскость». Впервые эти колебания в данном материале были обнаружены и исследованы на кафедре общей физики физического факультета МГУ. Найдено, в частности, что в отличии от железо-никелевых плёнок для плёнок ферритов-гранатов характерна слабая зависимость интенсивности колебаний от длительности фронта намагничивающего импульса. В качестве возможных причин такого поведения намагниченности рассматривалось наличие в плоскости реальных плёнок ферритов-гранатов двухосной анизотропии, приводящей к эффекту задержанного ускорения переходного процесса. Однако объяснения носили чисто качественный характер. Никакого математического анализа рассматриваемого переходного процесса не производилось. Отсутствовали и надёжные количественные экспериментальные данные о реальной зависимости интенсивности колебаний от длительности фронта намагничивающего импульса. Отсутствовала информация и об интенсивности колебаний, возникающих при других переходных процессах и в других материалах.
Решению перечисленных вопросов и посвящена настоящая дипломная работа. В ней впервые проводится численный анализ линейных и нелинейных колебаний намагниченности в плёнках ферритов-гранатов. При расчётах предполагается, что переходной процесс происходит путём однородного вращения намагниченности. Анализируются причины, приводящие к некритичности интенсивности колебаний к длительности фронта намагничивающего импульса. Проводится сопоставление результатов расчётов с экспериментальными данными.
Анализируются колебания в плёнках, в которых вместо двухосной проявляется одноосная анизотропия. Показано, что расчёты в целом предсказывают наличие эффекта задержанного вращения намагниченности, а более сильная зависимость интенсивности колебаний от длительности фронта, наблюдаемая в эксперименте, объясняется тем, что при возрастании длительности фронта успевают образоваться и вырасти до значительных размеров зародыши с новой фазой намагниченности, которые подавляют колебания намагниченности.
Глава I. Литературный обзор
§ 1.1. Основные результаты исследования нелинейных колебаний намагниченности в пермаллоевых плёнках
С проблемой нелинейных колебаний намагниченности впервые столкнулись в конце 50-х годов 20-го века при теоретическом исследовании переходных процессов в плёнках из пермаллоя и других железо-никелевых сплавов с одноосной анизотропией в их плоскости. В основном исследователей интересовал режим 90°-го намагничивания плёнок, при котором они рассчитывали обеспечить наибольшее быстродействие устройств на магнитных плёнках. Для описания поведения намагниченности воспользуемся сферической системой координат. Плёнка лежит в плоскости XY декартовой системы координат, ось Z совмещена с нормалью к поверхности плёнки. От оси Z отсчитывается полярный угол θ (рис. 1).
Пусть исходное направление намагниченности совпадает с направлением установочного поля H0, коллинеарного оси Y. Импульсное поле Hm, инициирующее переходной процесс, направлено вдоль оси лёгкого намагничивания (ОЛН, коллинеарна оси X), перпендикулярной к исходному направлению намагниченности. Угол φ характеризует ориентацию вектора намагниченности M(t) в плоскости плёнки. Для анализа поведения намагниченности применяют уравнение Ландау-Лифшица [1]. В общем случае для описания поведения вектора M(t) необходимо использование двух уравнений в координатах θ и φ [2 – 3]. Важным фактором, возникающим при переходных процессах в плёнках пермаллоя, является размагничивающее поле Hр, связанное с выходом вектора намагниченности из плоскости плёнки (на угол ψ=90°-θ) [4 – 5]. Большие значения намагниченности насыщения MS плёнок пермаллоя приводят к тому, что угол ψ не превышает 2 — 5° (при амплитуде внешнего поля H m≤10−15Э ). Несмотря на малые значения угла ψ размагничивающее поле Hd может достигать значений 2π M S sin ψ ≈ 300 Э. Это поле создаёт дополнительный вращающий момент, существенно ускоряющий переходной процесс. Энергия размагничивающего поля равна W d=2πM S sin2 φ. Существенно, что это поле обладает инерцией, и может характеризоваться кинетической энергией, что определяет природу обсуждаемых колебаний