Автореферат (Электростатические свойства микромагнитных структур)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиСергеев Александр СергеевичЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАМИКРОМАГНИТНЫХ СТРУКТУРСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцент А.П. ПятаковОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессор Е.Г.

Екомасов,Башкирский государственный университет, Уфакандидат физико-математических наук, научный сотрудник Д.И. Плохов,Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академиинаук, МоскваВедущая организация:Московский государственный технический университет радиотехники,электроники и автоматикиЗащита состоится «» мая 2014 года вчасовминут на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва, Ленинскиегоры, д. 1, стр. 35, конференц-зал ЦКП физического факультета МГУ им.М.В.

Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ им. М.В. Ломоносова (Ломоносовский пр-т., д. 27), а также в сетиИнтернет по адресу:http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-70/Автореферат разослан «»2014 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С. ПлотниковОбщая характеристика работыАктуальность работы. Данная работа посвящена изучению магнитоэлектрических свойств пространственно-неоднородных спиновых структур.В магнитоупорядоченных средах сосуществуют и конкурируют различныевзаимодействия между магнитными моментами: обменное взаимодействиенескольких типов, взаимодействие Дзялошинского-Мория, диполь-дипольноевзаимодействие.

Их совместное действие приводит к стабилизации разнообразных неоднородных спиновых структур. Среди них — протяженные пространственно-модулированные структуры, характеризующиеся одним или несколькими волновыми векторами; соразмерные структуры с пространственным периодом, кратным постоянной кристаллической решетки; скирмионы— двумерные цилиндрически-симметричные солитоны, стабилизированныевзаимодействием Дзялошинского-Мория, и многие другие структуры.Неоднородные спиновые структуры, интересные сами по себе, стали предметом пристального внимания после обнаружения в некоторых из них электрической поляризации.

Ее появление обусловлено неоднородным магнитоэлектрическим эффектом, суть которого заключается в том, что электрическая поляризация может возникнуть в области магнитной неоднородности [1].Возможность сосуществования намагниченности и электрической поляризации в одном веществе устанавливает определенные требования к магнитнойгруппе симметрии кристалла. Но эти требования могут быть удовлетвореныи путем локального понижения симметрии за счет возникновения магнитной неоднородности, что, во-первых, существенно расширяет класс веществ,в которых может быть реализовано магнитоэлектрическое взаимодействие;во-вторых, обуславливает сильную связь между электрической поляризацией и распределением вектора намагниченности, открывающую возможностиуправления намагниченностью с помощью электрического поля и электрической поляризацией — с помощью магнитного [2].Однако специфика механизмов, стабилизирующих перечисленные вышеспиновые структуры, такова, что они образуются лишь при температурахсущественно ниже комнатной.

В то же время при высоких температурах в3магнитоупорядоченных средах существуют магнитные неоднородности, возникающие между областями однородного распределения параметра порядка— доменные границы [3]. Как правило, в силу стремления уменьшить поверхностную энергию, они являются плоскими, но обладают при этом богатой внутренней структурой, допускающей существование нескольких классовмагнитных неоднородностей. Доменная граница характеризуется определенной киральностью, в зависимости от того, по или против часовой стрелкипроисходит в ней разворот вектора намагниченности. Более того, участки сразличной киральностью могут соседствовать в одной доменной границе.

Вэтом случае они будут разделены “границей” пониженной размерности, называемой вертикальной блоховской линией. Наконец, существует свобода ив выборе направления вектора намагниченности в блоховской линии, делающая возможным существование точки Блоха — точечной “границы”, разделяющей разные участки вертикальной блоховской линии.Электростатические свойства магнитных доменных границ были экспериментально обнаружены в пленках феррит-гранатов: границы смещалисьиз положения равновесия под действием неоднородного электрического поля,создававшегося заостренным электродом [4,5].

Наиболее вероятным механизмом возникновения электрической поляризации у доменных границ являетсянеоднородный магнитоэлектрический эффект. В этом случае вертикальныеблоховские линии и точки Блоха также могут обладать электрической поляризацией. Актуальность данной работы связана с необходимостью построения теоретической модели наблюдаемого магнитоэлектрического поведениядоменных границ, а также изучения электростатических свойств микромагнитных объектов, экспериментальные исследования которых предстоят в будущем.Целью диссертационной работы является теоретическое изучениеэлектростатических свойств микромагнитных структур, обусловленных неоднородным магнитоэлектрическим эффектом.

В работе решены следующиезадачи:1. Построение модели микромагнитной структуры доменной границы в4пленке феррит-граната и расчет соответствующего распределения электрической поляризации.2. Теоретический анализ влияния внешнего магнитного поля на микромагнитную структуру и на электростатические свойства доменных границс учетом одноосной, ромбической и кубической магнитной анизотропии.3. Изучение распределения электрического заряда магнитных неоднородностей внутри доменных границ — вертикальной блоховской линии иточки Блоха.4. Доказательство возможности зарождения магнитного скирмиона с помощью электрического поля в кристалле с неоднородным магнитоэлектрическим эффектом.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.

Теоретически объяснены качественные особенности экспериментальныхзависимостей смещения границы под действием электрического поля отнапряженности внешнего магнитного поля.2. Впервые рассчитано распределение объемной и поверхностной плотности электрического заряда в скрученной доменной границе, распределение вектора намагниченности в которой изменяется по толщине пленкипод действием полей размагничивания.3. С помощью численного микромагнитного моделирования методом имитации отжига изучено распределение векторов намагниченности и электрической поляризации в доменной границе в пленке феррит-гранатас учетом наведенной магнитной анизотропии в присутствии внешнегомагнитного поля.4.

Впервые рассчитаны величины полного поверхностного электрического заряда, присущего вертикальной блоховской линии, и объемного заряда точки Блоха. Методом непрерывных деформаций распределения5вектора намагниченности установлено отсутствие связи между электрическим зарядом точки Блоха и ее топологическим зарядом.5. Путем численного моделирования впервые продемонстрирована возможность зарождения и стабилизации кирального магнитоэлектрическогоскирмиона с помощью электрического поля.Практическая значимость работы обусловлена тем, что магнитоэлектрические свойства микромагнитных объектов открывают перспективысоздания технологий хранения информации, характеризующихся высокой плотностью записи и малым энергопотреблением.

Среди предложенных на сегодняшний день концепций устройств памяти присутствуют основанные на использовании как доменных границ, так и скирмионов. Однако для управления микромагнитными объектами традиционно используются электрическиетоки. Электростатические свойства доменных границ и других объектов, рассмотренные в данной работе, делают возможным управление ими с помощьюэлектрического поля, что сопровождается меньшими энергозатратами.Научные положения и результаты, выносимые на защиту:1. Характер зависимости плотности поверхностного электрического заряда доменной границы от угла скручивания, обусловленного внешниммагнитным полем.2. Вид пространственного распределения плотности объемного и поверхностного электрических зарядов в скрученной доменной границе, вертикальной блоховской линии и точке Блоха.3.

Влияние параметров ромбической анизотропии Kr и ϕr на вид зависимости линейной плотности поверхностного электрического заряда доменной границы от напряженности внешнего магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости границы. Здесь Kr — константаанизотропии, а ϕr — угол между ортом анизотропии и нормалью к плоскости доменной границы.64. Линейный характер зависимости переходного значения напряженностимагнитного поля HxT от напряженности эффективного электрического поля E0 , характеризующего нарушение центральной симметрии вкристалле, где HxT — значение напряженности магнитного поля, прикотором доменные границы различной киральности обладают равнойэнергией.5. Возможность зарождения и стабилизации кирального магнитоэлектрического скирмиона с помощью электрического поля. Необходимая дляэтого величина напряженности электрического поля может быть оценена по порядку величины как 106 В/см, что лежит в диапазоне экспериментально достижимых значений.Апробация результатов.

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, были представлены на следующих конференциях:1. XXI Международная конференция “Новое в магнетизме и магнитныхматериалах”, Москва, 2009.2. XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодыхученых “Ломоносов-2009”, Москва, 2009.3. 12th International Ceramics Congress, Монтекатини-терме, Италия, 2010.4. Euro-Asian Symposium on Magnetism: Nanospintronics, Екатеринбург, 2010.5. Moscow International Symposium on Magnetism, Москва, 2011.6. International School of Oxide Electronics, Франция, Каржез (о. Корсика),2011.7.