Квазирелятивистская динамика антиферромагнитных вихрей в доменных границах ортоферрита иттрия

Московский государственный университетимени М.В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиБОРЩЕГОВСКИЙ Олег АлександровичКВАЗИРЕЛЯТИВИСТСКАЯ ДИНАМИКААНТИФЕРРОМАГНИТНЫХ ВИХРЕЙ В ДОМЕННЫХ ГРАНИЦАХОРТОФЕРРИТА ИТТРИЯСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2007Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.

ЛомоносоваНаучныйруководительдоктор физикоматематических наук,профессор М. В. ЧеткинОфициальныеоппоненты:доктор физикоматематических наук,профессор А. К. Звездиндоктор физикоматематических наукМ. Б. АгранатВедущая организацияИнститут радиотехники иэлектроники РАН, г. МоскваЗащита состоится ““ мая 2007 года вчасов на заседаниидиссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория.С диссертацией можно ознакомитьсяфакультета МГУ им. М.

В. Ломоносова.Автореферат разослан “вбиблиотекефизического” апреля 2007 года.Ученый секретарьдиссертационного совета К 501.001.02,кандидат физико-математических наук2И. А. НиканороваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.Актуальность темы.Диссертационнаяработапосвященаисследованиюдинамикиспиновых вихрей в доменных границах (ДГ) пластинок ортоферритаиттрия разных толщин.

Возможность существования спиновых вихрей вортоферритах, впервые предсказанная в работе [1], обусловлена наличиемпереходных участков доменных границ [2], разделяющих участки сrпротивоположным вращением векторов антиферромагнетизма l и слабогоrrферромагнетизма m . Причем вектор, m не отклоняясь от своегопервоначального направления, уменьшается до нуля, а затем вновьвозрастает до своего максимального значения, изменив направление.rВращение вектора l происходит в плоскости доменной границы. Такимобразом,исследуемыеантиферромагнитныминами(АФМ).спиновыеОдинполныйвихриоборотявляютсяrвектора lсоответствует топологическому заряду АФМ вихря 2π.ИсследованиевысокоскоростнойдинамикиАФМфотографии,вихрейпроводилосьпозволяющимметодомрегистрироватьдинамические положения ДГ с “тонкой структурой” на цифровойфотографии.

На полученных таким образом снимках наблюдалисьдвижущиеся вдоль доменной границы уединенные изгибные волны (УИВ),имеющие резкие передние и затянутые задние фронты, и отстающие отдоменной границы как целое. По-видимому, эти волны и сопровождаютАФМ вихри,существующие и движущиеся в доменных границахпластинок ортоферрита иттрия.Динамика УИВ, сопровождающих антиферромагнитные вихри, вдоменных границах ортоферрита иттрия, как и динамика самих ДГ,является квазирелятивистской и сверхзвуковой.

Зависимость скоростидвижения уединенной изгибной волны вдоль доменной границы (u) от3скорости самой доменной границы (v) имеет необычный нелинейный вид смаксимумом, положение которого зависит от амплитуды УИВ. По мереприближения скорости доменной границы к предельному значению 20км/с, равному скорости спиновых волн на линейном участке их законадисперсии, скорость изгибной волны, сопровождающей вихрь, стремится кнулю. Это является следствием квазирелятивистской динамики АФМвихря на квазирелятивистской доменной границе. Полная же скоростьУИВ (w) с ростом скорости движения доменной границы (v) нелинейнорастет и насыщаетсясопровождающихна уровне 20 км/с.

Такое поведение УИВ,АФМвихри,можнообъяснитьсуществованиемчрезвычайно больших гироскопических сил, действующих на вихри.Вдиссертацииудовлетворительноприведеноописывающеерезультаты по динамике АФМубывающемучасткеэмпирическоеполученныевыражение,экспериментальныевихрей и хорошо согласующееся назависимостиu(v)ссоотношениемu2+v2=c2,полученным А.К. Звездиным и А.Ф.

Попковым [3], где с - скоростьспиновых волн на линейном участке их закона дисперсии, равная 20 км/с.Квазирелятивистскаядинамикадоменныхгранициантиферромагнитных вихрей в пластинках ортоферрита иттрия (YFeO3) спредельнойскоростьюдвиженияделаетвозможнымизучениерелятивистских эффектов на примере движения доменных границ слабыхферромагнетиков со скоростями на четыре порядка ниже световых.Экспериментальные исследования динамики доменных структур вредкоземельных ортоферритах представляют большую научную ценностьв разработке ряда фундаментальных проблем магнетизма для широкогокласса материалов. В практическом отношении ортоферриты являютсядовольно перспективными материалами для создания систем связи иобработки информации благодаря тому, что доменные границы движутся вних с рекордно высокими сверхзвуковыми скоростями.

Кроме того,4ортоферриты имеют крайне высокие подвижности доменных границ, чтонеобходимо для работы устройств при низких управляющих магнитныхполях.Исследование динамики доменных границ и антиферромагнитныхвихрей,сопровождаемыхортоферритахуединеннымипредставляетинтересвизгибнымисвязисволнами,вуникальнымимагнитооптическими и динамическими свойствами этих материалов.Ортоферриты относятся к классу слабых ферромагнетиков и являютсяоптически прозрачными в видимой области спектра, что позволяетиспользоватьихвмагнитооптическихневзаимныхустройствах,оптических затворах и магнитооптических модуляторах света с оченьвысоким быстродействием. Устройства, основанные на использованииданных материалов, отличаются надежной работой, что в значительнойстепени обусловлено возможностью их сверхбыстрого управления.Редкоземельные ортоферриты обладают сильной орторомбическойанизотропией, и с макроскопической точки зрения ведут себя подобноантиферромагнетикам.

Это дает им несомненные преимущества переддругим большим классом оптически прозрачных магнетиков – ферритамигранатами,которыепомакроскопическимсвойствамявляютсяферромагнетиками. В связи с малым спонтанным магнитным моментом,возникающим из-за взаимодействия Дзялошинского-Мория, нелокальноевзаимодействиевслабыхферромагнетиках,обусловленноеразмагничивающими полями, весьма слабо и не оказывает существенноговлияния на динамику ДГ, чего нельзя сказать о ферритах-гранатах.Наличие слабого ферромагнитного момента дает возможность изучатьдинамику доменных структур слабых ферромагнетиков под действиемвнешнего магнитного поля.

В антиферромагнетиках такой возможностинет.5Большойинтереспредставляютрезультатыполобовомустолкновению пары уединенных изгибных волн малых амплитуд,сопровождающих АФМ вихри, при малых скоростях движения ДГ. Былоэкспериментальноустановлено,чтоаннигиляцияАФМвихрейвортоферрите иттрия происходит вплоть до скоростей, близких к скоростизвука, при этом солитоноподобное поведение, которое наблюдалось впленках ферритов-гранатов, в пластинах ортоферритов до сих порзамечено не было.

Такое поведение АФМ вихрей можно объяснить лишьдействием на них необычно больших гироскопических сил. Дальнейшиеисследования в этом направлении могут оказаться полезными для поискаперехода от больших гироскопических сил, действующих на АФМ вихри,к малым. То есть для обнаружения солитоноподобного поведения АФМвихрей, при котором динамику вихрей будут определять уже не большиегироскопические силы, а малые. А частичная аннигиляция АФМ вихрей,имеющая место при столкновении двух уединенных изгибных волн разныхамплитуд, дает возможность получать результирующие волны, имеющиеамплитуды~1мкм,получениекоторыхизвестнымиметодамиотношенииявляютсязатруднительно.Оченьважнымивфеноменологическомполученные результаты по отражению УИВ, сопровождающих АФМвихри, движущихся вдоль сверхзвукового участка доменной границы отчасти ДГ, движущейся со скоростью поперечного звука.

Полученныерезультаты подобны тем, что наблюдали при превращении кинк - антикинкна конце Джозефсоновского контакта. Это указывает на сходство АФМвихрейвортоферритахсДжозефсоновскимииможетявлятьсяподтверждением того, что рассматриваемые нами объекты действительноимеют вихревую природу.6Целью диссертационной работы являлось исследование динамикиАФМ вихрей, сопровождаемых уединенными изгибными волнами, вдоменных границах пластинок ортоферрита иттрия.К главным задачам работы относятся:1.Экспериментальное исследование динамических свойств УИВ,сопровождающих антиферромагнитныевдольдоменныхграницввихри, распространяющихсяпластинкахYFeO3,подтверждениесуществования больших гироскопических сил, действующих на АФМвихри, и связи вихрей с сопровождающими их уединенными изгибнымиволнами в образцах ортоферрита иттрия разных толщин.2.Исследование лобовых столкновений уединенных изгибных волнпри малых скоростях движения доменных границ для подтверждения ихвихревой природы идля получения в результате аннигиляции АФМвихрей малых топологических зарядов, а также с целью обнаружениявозможности перехода от больших гироскопических сил к малым, прикоторых АФМ вихри могут начать вести себя солитоноподобным образом.3.Экспериментальное исследование отражения уединенных изгибныхволн, сопровождающих АФМ вихри, движущихся вдоль сверхзвуковойчасти доменной границы, от участка границы, движущегося со скоростьюпоперечного звука, для подтверждения их вихревой природы.Научная новизна и практическая ценность работы заключаются вследующем:1.

Исследования динамики доменных границ и антиферромагнитныхвихрейпроводилисьновымметодом–методомтрехкратнойвысокоскоростной цифровой фотографии.2.Вработевпервыепроведеныисследованиядинамикиантиферромагнитных вихрей в пластинке YFeO3 толщиной 80 мкм. Присравнении полученных результатов с аналогичными для пластинки7толщиной 40 мкм, экспериментально установлено, что максимальнаяамплитуда УИВ, а значит и величина топологических зарядов АФМвихрей, зависит от толщины исследуемых образцов. Чем толще образец,тем меньшие амплитуды имеют уединенные изгибные волны.3.