Диссертация (Электростатические свойства микромагнитных структур), страница 5

1.6 а). Следует отметить, что эти структуры носят более сложныйхарактер, чем изображенные на рисунке 1.3, поскольку при комнатной температуре вещество упорядочено ферримагнитно, и магнитные моменты образуютдве неэквивалентные подрешетки.При температуре 5 K были проведены измерения электрической поляризации в магнитном поле, направленном перпендикулярно волновому векторуструктуры; его величина периодически изменялась в пределах от −30 мТ до30 мТ без изменения направления (рис. 1.6 б).

При этом было зафиксированопериодическое изменение электрической поляризации: ее значение достигалоэкстремумов, когда ось конуса была перпендикулярна направлению модуляции,и обращалось в нуль при нулевом значении магнитного поля, когда структура25Рис. 1.6: Неколлинеарные структуры в гексаферрите Ba2 Mg2 Fe12 O22 и их поведение в переменном магнитном поле [27]: а — геликоидальная и продольная коническая структуры,не обладающие электрической поляризацией, и поляризованная магнитоиндуцированная коническая структура с осью конуса, заданной направлением магнитного поля; б — изменение направления оси конуса при изменении проекции напряженности магнитного поля наось [100], перпендикулярную направлению модуляции; в — временные зависимости (снизувверх): напряженности магнитного поля, электрической поляризации и электрического тока, вызванного изменением ее величины.возвращалась к естественной продольно-конической конфигурации (рис.

1.6 в).Описанные выше проявления магнитоэлектрического взаимодействия предполагают управление электрическими свойствами посредством магнитного поля. Обратная ситуация — управление намагниченностью спиральных магнитоэлектриков с помощью электрического поля — в литературе практически невстречается. Одним из немногих исключений можно считать работу [28], в которой декларируется электрический контроль киральности спиновой структуры в кристалле TbMnO3 , однако осуществляется он несколько специфическимобразом.Температура антиферромагнитного упорядочения этого вещества составляет около 40 К.

При дальнейшем понижении температуры, в области 20−30 Kпроисходит образование циклоиды, сопровождающейся появлением электрической поляризации. При этом киральность структуры, определяемая тем, по и26или против часовой стрелки происходит разворот, задается случайным образом,поскольку оба состояния вырождены по магнитной энергии. Авторы работысняли это вырождение, приложив к образцу в процессе охлаждения электрическое поле напряженностью 160 кВ/м. В зависимости от знака приложенногоэлектрического поля происходил переход из антиферромагнитной фазы в спиновую циклоиду той или иной киральности.

Результат служит хорошим подтверждением теории, основанной на взаимодействия Дзялошинского-Мория,однако необходимо отметить, что “контроль” при охлаждении осуществляетсяоднократно, а не в реальном времени, как это было в случае контроля электрической поляризации путем приложения магнитного поля.О наличии сегнетоэлектрического гистерезиса в соединении DyMnO3 сообщается в работе [29]. Измерения проводились вблизи температуры сегнетоэлектрического упорядочения (около 18 К), связанного с появлением циклоидальнойспиновой структуры. При уменьшении температуры на 3 K относительно температуры фазового перехода остаточная поляризация обращалась в ноль, то естьее переключения не происходило. Из этого можно сделать вывод, что магнитоэлектрическое взаимодействие в данном соединении носит слишком слабыйхарактер, чтобы обеспечить возможность переключения магнитной структурыэлектрическим полем вдали от “неустойчивой” точки фазового перехода.Как правило, энергия взаимодействия поляризации с электрическим полем оказывается существенно меньше характерных энергий взаимодействий,отвечающих за магнитное упорядочение.

Такое положение дел неслучайно: механизм неоднородного магнитоэлектрического эффекта обеспечивает сильнуювзаимосвязь между магнитной и электрической подсистемами, поскольку самосуществование электрической поляризации обусловлено наличием неоднородного распределения намагниченности; но слабым местом в этом случае является малость абсолютной величины поляризации (порядка 10−2 мкКл/см2 ) [30].Обратная ситуация складывается в тех магнитоэлектриках, в которых магнитные и электрические свойства связаны не столь тесным образом — они демонстрируют сравнительно большие значения электрической поляризации (до100 мкКл/см2 ).Наиболее известным представителем этого семейства является феррит висмута BiFeO3 .

Он является не только магнитоэлектриком, но и мультиферроиком27— то есть веществом, в котором одновременно сосуществуют несколько видовупорядочения [31,32]. Сегнетоэлектрическое и антиферромагнитное упорядочения происходят в феррите висмута при температурах, значительно превышающих комнатную, 1103 К и 643 К, соответственно. Отметим, что существеннаяразница в температурах упорядочения косвенно указывает на то, что их природа различна.

Неоднородный магнитоэлектрический эффект проявился и в этомвеществе, но скорее в роли паразитного, нежели полезного, явления.Кристаллическая симметрия феррита висмута допускает существованиелинейного магнитоэлектрического эффекта, описываемого вкладами в свободную энергию вида αij Ei Hj , однако экспериментальных подтверждений этомудолгое время не было.

Оказалось, что для наблюдения линейного магнитоэлектрического эффекта необходимо приложить сильное магнитное поле (H =200 кЭ) [33]. Линейный эффект был невозможен, поскольку сегнетоэлектрическая поляризация наводила за счет взаимодействия Дзялошинского-Морияантиферромагнитную циклоиду, и средняя по объему намагниченность равнялась нулю [34].Необходимо отметить, что взаимодействие Дзялошинского-Мория можетвозникать не только в кристаллах, характеризующихся отсутствием преобразования инверсии в группе симметрии, но и в случае, когда нарушение симметрии обусловлено формой образца. Впервые это явление было экспериментально изучено в монослое марганца на вольфрамовой подложке [35].

На рисунке 1.7 а представлено изображение образца, полученное с помощью спинполяризованной сканирующей электронной микроскопии. В нижней части рисунка кружками обозначен экспериментальный сигнал. Сплошная линия с малой длиной волны показывает, каким был бы сигнал от антиферромагнитноупорядоченных спинов. Экспериментальный сигнал отличается от гипотетического “антиферромагнитного” тем, что, во-первых, модулирован с периодомоколо 12 нм (модуляция показана сплошной линией с большой длиной волны);во-вторых, что фаза сигнала изменяется на противоположную от одного периода модуляции к другому. Эти особенности свидетельствуют, что упорядочение не является антиферромагнитным, а представляет собой пространственномодулированную спиновую структуру.

В качестве кандидатов на роль такойструктуры рассматривались волна спиновой плотности, циклоидальная и гели-28Рис. 1.7: а — изображение магнитной структуры монослоя марганца на вольфрамовойподложке, полученное методом спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии [35]; б — кристаллическая структура соединения CaMn7 O12 , обладающая аксиальной~ В центре — ион кальция, вокругсимметрией, которую можно охарактеризовать вектором A.него расположены ионы марганца в кислородных октаэдрах [36].коидальная структуры. Измерения с различными направлениями намагниченности иглы туннельного микроскопа позволили заключить, что спин отличен отнуля во всех точках структуры, то есть она представляет собой спиновую циклоиду или геликоиду.

Выбор между последними не мог быть осуществлен наоснове экспериментальных данных; численное моделирование с учетом взаимодействия Дзялошинского-Мория показало, что структура представляла собойспиновую циклоиду.В заключение данного раздела рассмотрим соединение CaMn7 O12 , в котором электрическая поляризация возникает при образовании спиновой геликоиды и направлена вдоль ее оси [36, 37]. На первый взгляд, это противоречит соображениям симметрии, отраженным в формуле (1.2): геликоида не позволяетвыделить полярное направление, поэтому не может приводить к возникновениюэлектрической поляризации. Однако эти рассуждения справедливы лишь длякристаллов простой кубической симметрии, к которым соединение CaMn7 O12не относится.

В нем кислородные октаэдры, окружающие ионы марганца, образуют вокруг одной из кристаллических осей структуру, напоминающую пропеллер (рис. 1.7 б). В отличие от спиновой геликоиды, такая структура будетпо-разному выглядеть при взгляде с разных концов оси, и, следовательно, мо~жет быть охарактеризована аксиальным вектором A.29Киральность геликоидальной спиновой структуры можно описать с помо~i × S~j ], где ~rij — вектор, соединяющий соседние спищью псевдоскаляра σ = ~rij [S~i и S~j .

Комбинация вектора A,~ характеризующего кристаллическую струкны Sтуру, величины σ, определяемой распределением вектора намагниченности и~ P~ оказывается инвариантом и обеспечивектора электрической поляризации Aσвает взаимосвязь электрической и магнитной подсистем. Интересно отметить,что величина электрической поляризации (|P~ | =2870 мкК/м2 ) в несколько разпревышает типичное значение поляризации для других спиральных магнитоэлектриков.1.4Доменные границы1.4.1ТеорияГеометрическая структура и предпосылки возникновенияФазовый переход, сопровождающийся понижением симметрии, приводит кпоявлению параметра порядка — величины, характеризующей возникшее упорядочение (для определенности будем считать эту величину векторной).