Автореферат (Особенности коллективной самоорганизации магнитных моментов в плазме и магнитных средах)

На правах рукописиВАГИН Дмитрий ВениаминовичОСОБЕННОСТИ КОЛЛЕКТИВНОЙСАМООРГАНИЗАЦИИ МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ ВПЛАЗМЕ И МАГНИТНЫХ СРЕДАХСпециальность 01.04.02 — теоретическая физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета имени М.В.Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор П. А. ПоляковОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор А. Е. Храмовдоктор физико-математических наук,профессор Л. С. КузьменковВедущая организация:Институт радиотехники и электроники РАН(Фрязинский филиал)Защита состоится «20» ноября 2008 г. в 1530 час.

на заседании ДиссертационногоСовета Д 501.002.10 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносовапо адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУимени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан « 16 » октября 2008 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.002.10д. ф.-м.

н.Ю.В. ГрацОбщая характеристика работыАктуальность темы диссертации обусловлена как фундаментальными проблемамитеории спиновой самоорганизации в магнитных структурах, так и наличием конкретныхприложений в исследуемой области, например, анализ нелинейной динамики намагниченныхчастиц, задачи выявления закономерностей возникновения и развития коллективныхспиновых структур в ферромагнитных материалах и на поверхности благородных металлов,определения условий существования стационарного спинового упорядочения и резонансногоповедения анизотропной замагниченной плазменной среды.

Среди прикладных задач можновыделить построение твердотельных запоминающих устройств на основе субмикронныхмагниторезистивных элементов, создание и улучшение носителей информации большогообъема за счёт использования магнитных наноструктур, разработка миниатюрных датчиковмагнитного поля, элементов радиофизических СВЧ-устройств (фильтры, вентили, спиновыетранзисторы,резонаторы,поглотители),конструированиебиочиповиуправлениемагнитными микрогранулами в медицинских биосенсорах для обнаружения и распознованияодновременно многих биомолекулярных взаимодействий.Цель работы. Построение теории, описывающей влияние объектов, обладающихсобственныммагнитныммоментомнаособенностисамоорганизациивсложныхэлектродинамических системах в рамках классического и квантового подходов.Научная новизна.

В диссертационной работе развита теория, учитывающая влияниегеометрии образца на нелинейную динамику вектора намагниченности в нём в рамкаходноспинового приближения. Показано, что размагничивающие поля играют существеннуюроль в установлении конкретных динамических режимов в нелинейной системе. Обнаруженпринципиально новый способ управления хаотической динамикой вектора намагниченностис помощью изменения конфигурации системы и формы самого образца, позволяющийдобиться, в том числе, и полного подавления хаоса. Установлено также, что в зависимости отформы образца может возникать или полностью отсутствовать состояние «нелинейнойдинамической поляризованности» системы.

На основе развитой теории произведён анализработоспособности субмикронных магниторезистивных датчиков в СВЧ полях.Получено точное аналитическое решение задачи определения магнитного поляоднородно намагниченного прямоугольного параллелепипеда в отсутствие нефизическихрасходимостейнаегорёбрахзасчётвведениярегуляризирующегопараметра,определяющего размер неоднородности распределения намагниченности в образце.Разработан метод, позволяющий без существенных вычислительных затрат проводитьмоделирование поведения структур на основе однослойных и двухслойных кольцевыхдатчиков магнитного поля.3Рассчитано поведение примесей меди и кобальта на поверхности благородного металлаи установлено влияние расстояния между подложкой и адатомом на магнитный моментсистемы.Получены дисперсионные кривые для анизотропной плазмы с учетом влияниясобственного магнитного момента для волн, распространяющихся перпендикулярно ипараллельно внешнему магнитному полю.Основные научные положения, выносимые на защиту:1.Новыйспособуправлениянелинейнойихаотическойдинамикойвекторанамагниченности за счёт изменения параметра формы и геометрии системы.Описание поведения системы при сжатии и растяжении магнитной частицысубмикронных размеров.2.Аналитическоерешениезадачинахождениямагнитногополяоднороднонамагниченного прямоугольного параллелепипеда в отсутствие нефизическихрасходимостей на его рёбрах.3.Изменение величины магнитного момента в системе адатом меди на поверхностиблагородного металла.4.Трансформация дисперсионных ветвей, обусловленная влиянием тензорного gфактора, в анизотропной магнитоактивной плазме.Научная и практическая значимость.

Результаты настоящей диссертации могутбыть использованы в экспериментальных и теоретических исследованиях магнитных систем,микро и наноструктур, примесей на поверхности металлов, плотных плазменных сред, присоздании запоминающих устройств и приборов СВЧ электроники на ферромагнитныхэлементах.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав,заключения и списка литературы, включающего 121 наименование. Общий объем текста —129 машинописных страниц. Работа содержит 55 рисунков.Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе10 статей в журналах и сборниках и 17 тезисов докладов на конференциях, список которыхприведен в конце автореферата.Апробация.

Результаты диссертации докладывались на XIX–XX Международныхшколах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2004 г.,2006 г.), X Всероссийской школы-семинара "Физика и применение микроволн" (Звенигород,2005 г.), Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальнымнаукам«Ломоносов-2008»и«Ломоносов-2007»(Москва,2008 г.,2007 г.),VIIМеждународной школе «Хаотические автоколебания и образование структур» (Саратов,42008 г.), XV, XIV и XIII Международной конференции по спиновой электронике игировекторной электродинамике (Фирсановка, Московская обл., 2007 г., 2005-2006 г., 20042005 г.), XL Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики ихимии (Москва, 2004 г.), Международной конференции МСС-04 «Трансформация волн,когерентные структуры и турбулентность» (Москва, 2004 г.), Moscow InternationalSymposium on Magnetism (MISM-2005) (Москва, 2005 г.), Школе-семинаре «Волны 2006»(Москва, 2006 г.), а также на круглом столе IV Специализированной выставкинанотехнологий и материалов «NTMEX–2007» (Москва, 2007 г.).Содержание работыВо введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируетсяосновная цель работы, представлен обзор современного состояния исследований по темедиссертации.

Приводится структура и краткое содержание глав диссертации.В первой главе диссертации представлены разработанные методы аналитическогорасчёта магнитостатических задач в некоторых системах сложной формы. В первомпараграфе получено точное аналитическое решение задачи определения магнитного поляоднородно намагниченного параллелепипедав отсутствие нефизических расходимостейна его гранях [5, 11, 23].

Наличие сингулярностей в данной задаче говорит о том, что модельоднородно намагниченного параллелепипеда в отсутствии внешнего поля нефизична. Дляустранения этого недостатка был введён регуляризирующий параметр δ, который определяетразмер неоднородности распределения намагниченности в образце.

Выражения длярегуляризированных компонент вектора индукции магнитного поля имеют следующий вид:( y  )  ( z   )  Rj ( x   ) ln( y   )  R  Bx ( , ,  )  2 z    arctgcz  ( y   ) ln( x   )  R  a  , , c ,0,0 a ,b,b ,,c0 12 , ,c0,0,012a , , ca  , 0 , 012a ,b , ca  ,b  , 012 ,b , c0 ,b  , 0,(1)j(x   )  (z   )  R ( x   ) ln( y   )  R  B y ( , ,  )  2 z    arctgcz  ( y   ) ln( x   )  R  a ,b  , ca  , , 0 0 ,,b , 0b ,c 12 , ,c0,0,012a , , ca  , 0 , 0125a ,b , ca  ,b  , 012 ,b , c0 , b  , 0,(2)j( y  )  ( z   )  RBz ( , ,  )  2 x    arctg ( z   ) ln( y   )  R  cx  ( y   ) ln( z   )  R  a  , , c ,0,0 a ,b,b ,,c0 12 , ,c0,0,012a , , ca  , 0 , 012a ,b , ca  ,b  , 012 ,b , c0 , b  , 0 (3)j(x   )  (z   )  R 2 y    arctg ( x   ) ln( z   )  R  cy  ( z   ) ln( x   )  R  a ,b  , ca  , , 0 0 ,,b , 0b ,c 12 , ,c0,0,012a , , ca  , 0 , 012a ,b , ca  ,b  , 012 ,b , c0 , b  , 0,x   2   y   2  x   2 , a, b, c – размеры образца, а в круглых скобкахгде R записаны подстановки для x, y, z.Во втором и третьем параграфах первой главы построена аналитическая модель длярасчёта распределения намагниченности в магниторезистивном однослойном и двухслойномнаноэлементе кольцевой формы [4, 6 ,7, 15, 16, 19, 27].

Непосредственное численноемоделирование на основе решения уравнения Ландау — Лифшица требует большихвычислительных затрат, поэтому в данной диссертации была предпринята попыткаупрощения теоретической модели, используя свойства геометрии системы, и сведениязадачикодномерной.Предложенныйалгоритмпозволяетбезсущественныхвычислительных затрат проводить моделирование поведения сложных структур на основеупомянутых элементов.Во второй главе обсуждается способ учёта влияния формы частиц на динамикумагнитных моментов в них [1, 2, 14, 20].

Развитая теория актуальна прежде всего длясубмикронных и нано частиц, состоящих из десятков атомов, когда величины проекцийспинаявляютсядостаточнобольшими,иэффектыквантовоготуннелированиянесущественны. В рамках подхода Ландау-Лифшица-Гильберта рассмотрена однороднонамагниченнаячастицапроизвольнойформыприналичиивнейоднооснойкристаллографической анизотропии во внешнем магнитном поле, которое имеет какпеременную, так и постоянную составляющие. Выберем декартову систему координат так,чтобы её оси были направлены вдоль главных осей тензора размагничивающихкоэффициентов образца. Пусть ось легкого намагничивания (ОЛН) кристаллографическойанизотропии лежит в плоскости (zOy) и составляет угол  с координатной осью Оz.