Диссертация (1105317), страница 7
Текст из файла (страница 7)
С учетом наличия двух неэквивалентных слоев марганца, возможнычетыре типа таких структур (рис. 1.10 а). Доменные границы, в которых всеспины структуры разворачиваются на 180◦ , являются свободными и могут возникать внутри одного из структурных доменов, а границы, в которых разворотосуществляется на угол, кратный 60◦ , оказываются сцепленными со структурными и, следовательно, сегнетоэлектрическими границами. Из этого следует,что вихревой топологический дефект является также и магнитным вихрем.В работе [48] магнитоэлектрические свойства двух соединений — YMnO3и MnWO4 рассмотрены в свете понятия трансляционных доменов.
Такие домены возникают, когда упорядочение нарушает не точечную, а трансляционнуюсимметрию. Примером трансляционных доменов являются структурные домены в манганите иттрия и антиферромагнитные — в MnWO4 . Исследования последнего методом генерации второй оптической гармоники показали наличиев нем и сегнетоэлектрических, и магнитных доменов.
Как и в случае YMnO3 ,изменение знака поляризации всегда сопровождалось сменой знака магнитногоупорядочения, в то время как некоторые магнитные доменные границы не были36связаны с сегнетоэлектрическими. Несмотря на кажущееся сходство в характере сцепления доменных границ, физические причины, обуславливающие его вэтом случае, совершенно иные [47].В интервале температур от 7.6 К до 12.7 К в соединении в MnWO4 образуется спиновая циклоида с волновым вектором ~k = (0.214, 1 , 0.457). Ее появление2сопровождается возникновением поляризации, и вещество становится мультиферроиком. Это происходит неслучайно: как и в системах, рассмотренных вразделе 1.3, магнитная циклоида обуславливает наличие электрической поляризации [49].
Сегнетоэлектрические доменные границы представляют собой нечто иное, как области смены киральности циклоиды ~k → −~k, а свободные магнитные доменные границы, в свою очередь, — области сбоя фазы циклоиды принеизменной киральности.Весьма интересным представляется поведение этой доменной структурыпод действием внешних полей. Электрическое поле, действуя на поляризацию,приводит к возникновению однодоменного сегнетоэлектрического состояния.При этом свободные магнитные границы остаются на месте — то есть граница, сменяющая киральность, проходит сквозь сбои фазы циклоиды. Магнитноеполе вдоль оси y, превышающее критическое значение Hc = 4.3 Тл, подавляетэлектрическую поляризацию, но при этом информация о киральности сохраняется в магнитной структуре, и после выключения магнитного поля картинасегнетоэлектрических доменов восстанавливается (рис.
1.10 б).Еще одним многообещающим классом мультиферроиков со сцепленнымимежду собой магнитными и электрическими доменными границами являютсяредкоземельные ортоферриты RFeO3 . Эксперименты с GdFeO3 продемонстрировали, что при низких температурах (около 2 К) в нем сосуществуют антиферромагнитное упорядочение, слабый ферромагнетизм и несобственное сегнетоэлектрическое упорядочение, обусловленное магнитным посредством обменнойстрикции. Однако сцепление доменных границ оказалось слабым, и управлениенамагниченностью электрическим полем было из-за этого неэффективным [51].Причина малой эффективности сцепления границ кроется в том, что сменазнака поляризации может сопровождаться либо разворотом слабого ферромагнитного момента железа, либо антиферромагнитного момента редкоземельныхионов; в последнем случае доменная граница окажется чисто сегнетоэлектри-37Рис. 1.11: Свойства доменных границ в редкоземельном ортоферрите [50]: а — структурасегнетоэлектрических доменных границ, сохраняющих (слева) и изменяющих (справа) знакферромагнитного момента; б — качественная зависимость порогового значения напряженности электрического поля Et , необходимого для движения разных типов доменных границ,от длительности импульса.
Сплошная линия — зависимость для границы, обусловленнойслабым ферромагнетизмом Fe; штриховая линия — для антиферромагнитной границы Gd;штрих-пунктирная — для антиферромагнитной границы Dy0.70 Tb0.30 .ческой, и магнитоэлектрического эффекта не будет (рис. 1.11 а). Избавитьсяот этого нежелательного эффекта позволило использование вместо иона Gd соединения Dy0.70 Tb0.30 [50]. Дело в том, что одноионная анизотропия диспрозияи тиберия существенно превышает анизотропию гадолиния, что сказываетсяна ширине, и, следовательно, подвижности соответствующей доменной границы. При достаточно быстром изменении электрического поля узкая антиферромагнитная доменная граница Dy0.70 Tb0.30 не успевает тронуться с места, ипереключение поляризации осуществляется за счет движения ферромагнитнойграницы железа.
Как показано на рисунке 1.11 б, при увеличении длительноститреугольного импульса электрического поля пороговое значение напряженности, необходимое для движения “редкоземельной” доменной границы (штрихпунктирная линия) уменьшается быстрее, чем соответствующая величина для“железной” границы (сплошная линия). Поэтому при некотором значении длительности импульса сегнетоэлектрическая доменная граница оказывается сцепленной с антиферромагнитной, и переключения намагниченности не происходит. Характерные значения величин таковы: при амплитуде импульса, равной3869.4 кВ/см, переключение режима происходит при длительности импульса 1 с,то есть импульс электрического поля длительностью менее секунды приводитк требуемому переключению намагниченности.Локальные магнитоэлектрические свойства границЭлектростатические свойства магнитных доменных границ были экспериментально обнаружены в пленках феррит-гранатов (BiLu)3 (FeGa)5 O12 : под действием неоднородного электрического поля границы смещались из положенияравновесия [52].
Направление смещения зависело лишь от знака приложенногонапряжения, и было одинаковым для всех границ. При фиксированном значении напряжения величина смещения доменной границы была тем больше, чемближе к ней находился электрод. На основе этих особенностей эффекта быловыдвинуто предположение, что наблюдаемое поведение границ связано с наличием на них электрического заряда.Действительно, другие гипотезы противоречат экспериментальным фактам: магнитострикция, обусловленная механическим давлением иглы на пленку, не зависела бы от знака приложенного напряжения, поскольку игла притягивается к поверхности при обеих его полярностях; магнитные поля, создаваемые токами, действовали бы на разные доменный границы по-разному, взависимости от направления намагниченности в доменах; однородный магнитоэлектрический эффект не приводил бы к усилению смещения вблизи доменнойграницы.Электрическое поле создавалось путем подачи напряжения до 1500 В намедный заостренный электрод, отсутствие токов утечки контролировалось миллиамперметром (рисунок 1.12 а).
Изображения доменных границ (рис. 1.12 б)были получены с помощью магнитооптического эффекта Фарадея — вращения плоскости поляризации проходящего через образец луча лазера. Измеренияпроводились при комнатной температуре, что выгодно отличает эту систему отрассмотренных выше.Впоследствии были проведены систематические измерения смещения доменных границ в образцах с различной кристаллографической ориентацией,позволившие выделить еще одну особенность этого явления [5]. Было установ-39Рис.
1.12: Электростатические свойства доменных границ в пленках феррит-гранатов(BiLu)3 (FeGa)5 O12 [5]: а — схема экспериментальной установки. Цифрами обозначены: 1 —медный электрод в форме иглы, 2 — плоский заземляющий электрод, 3 — пленка ферритграната, 4 — подложка, 5 — линза микроскопа для наблюдения микромагнитной структуры впроходящем свете; б — смещение доменной границы (2) под действием электрического поля,создаваемого электродом (1); в — зависимость смещения доменной головки от времени длятрех значений приложенного напряжения.лено, что в пленках с ориентацией (111) доменные границы никак не реагируютна приложение электрического поля, в то время как в образцах с ориентацией (210) и (110) эффект смещения имеет место.
В работе указано, что различие в кристаллографических ориентациях сказывается на направлении векторанамагниченности в доменах: в образцах с (111)-ориентацией намагниченностьперпендикулярна поверхности, а в других образцах — отклонена от нормали.Кроме того, были проведены динамические измерения смещения доменнойголовки — области замыкания полосового домена, где доменная граница искривлена (радиус кривизны приближенно равен половине ширины домена).
Дляэтого на электрод периодически подавались импульсы напряжения; подсветкатакже производилась стробоскопически. Изменяя разность фаз импульсов напряжения и подсветки при одинаковой частоте сигналов, экспериментаторамудалось измерить зависимость смещения доменной головки от времени (рис.1.12 в). Было установлено, что скорость смещения головки при значении напряжения 400 В (что соответствует напряженности поля вблизи острия 800 кВ/см)составляет 50 м/с.
Смещения доменных головок существенно превосходили смещения доменных границ. В работе [4] также сообщалось о влиянии электрического поля на вертикальные блоховские линии, то есть протяженные одномерные дефекты внутри доменных границ, разделяющие области границы сразличной киральностью, наблюдавшемся в образцах с (111)-ориентацией.40Отметим, что эффект движения доменных границ под действием электрического поля косвенно наблюдался ранее в пленках железо-иттриевого граната [53, 54]. Так, в работе [53] высказывается предположение, что электрическоеполе вызывает изменения констант анизотропии, приводящее к наклону оси легкого намагничивания.
В присутствии магнитного поля, увеличивающего объемодних доменов и уменьшающего объем других, такой наклон сопровождался быизменением результирующего значения намагниченности. Процессом, компенсирующим это изменение, и выступает смещение доменных границ. В отличиеот описанных выше экспериментов с иглообразным электродом, здесь электрическое поле создается плоскими электродами, и является однородным. Предметом непосредственного измерения выступает вызванное электрическим полемизменение угла фарадеевского вращения ∆α, характерные значения которогосоставляют десятки угловых секунд.
На основе измерений этой величины былисделаны оценки, согласно которым при значениях напряженности электрического и магнитного полей E = 107 В/м и H = 300 Э смещение доменныхграниц составляет ∆x ≈ 0.01 мкм, то есть на два порядка меньше характерныхзначений смещения в неоднородном электрическом поле (рис. 1.12 б).1.5Структуры с цилиндрической симметрией1.5.1ТеорияГеометрическая структура и предпосылки возникновенияПомимо протяженных микромагнитных структур, таких как доменныеграницы и спиновые циклоиды, рассмотренные выше, существуют локальныеструктуры, характеризующиеся цилиндрической симметрией. К ним относятся цилиндрические магнитные домены (ЦМД), магнитные вихри и скирмионы.Несмотря на существование четких морфологических отличий между названными классами структур, актуальность скирмионной тематики способствуетвозникновению некоторой путаницы в терминах: авторы статей склонны называть вихри скирмионами, а ЦМД — “гигантскими скирмионами”. В одной изработ гексагональная решетка ЦМД была названа “гексагональной решеткойскирмионов” и вовсе без каких-либо оговорок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
