Властивості вихорів у двовимірних легкоплощинних феромагнетиках - Автореферат

Різноманітність магнітних структур (феро-і антиферомагнетики, феріти та спінові стекла, легкоплощинні і легковісні магнетики, тривимірні, квазідвовимірні і квазіодновимірні середовища, магнітні двовимірні плівки і т.д.) приводить до існування великої кількості можливих нелінійних збуджень у магнітовпорядкованих середовищах: нелінійних спінових хвиль, доменних границь, хвиль повороту намагніченості, динамічних магнітних солітонів, магнітних вихрів, скірміонів та ін. У звязку з цим вивчення структурних і динамічних властивостей вихорів у двовимірних феромагнетиках і нанодотах стало одним з найважливіших напрямків сучасної фізики магнітних явищ. У дисертаційній роботі запропоновано і вивчено кілька спрощених модельних систем, що задовольняють перерахованим вище умовам, досліджено можливість застосування подібного спрощеного опису для розгляду властивостей магнітних вихрів і запропоновано теоретичне пояснення ряду фізичних явищ, що раніше вивчалися лише чисельними методами, а також виявлено декілька нових незвичайні особливостей магнітних вихорів. Для досягнення поставленої мети проведено порівняння властивостей вихрових рішень у спінових плакетах та комбінованій квазіодновимірній моделі з даними щодо двовимірних систем великого розміру, досліджено спектр внутрішніх збуджень вихорів у малих магнітних плакетах та проаналізовано резонансну картину, що виникає при активації власних мод магнетика з вихором циркулярним полем. Метод дослідження складається у формулюванні простих моделей для дискретних кінцевовимірних динамічних систем, що допускають наявність магнітних вихорів різного виду (площинних і позаплощинних) при різних граничних умовах і при наявності зовнішнього впливу; вивченні структури вихорів у цих моделях, а також особливостей їхньої динаміки, внутрішніх мод, гіротропного руху, переворотів у зовнішньому полі та порівнянні результатів, отриманих при аналітичному розгляді зазначених питань, з відомими даними чисельного моделювання двовимірних систем великого розміру.При врахуванні дискретності спінової ґратки, у легкоплощинному магнетику можливо існування двох типів вихрів [4-6,8]: площинного, зі спінами, що лежать строго в легкій площині (ПВ), який є стійким при анізотропії, більшій за критичну ??c), зі спінами, що виходять з цієї площини в околиці центру вихору (ППВ). Структура статичних вихрових рішень така: 1) Для плакета з фіксованою границею, Рис.1а, при великій анізотропії стійким є ПВ-рішення з mn =0, (=?/4 ?(n-1), для вихорів обох типів), критичне значення параметра анізотропії ?c?0.93; для ??с1=0.5 вихрового впорядкування не існує. Частотні залежності перших азимутальних мод розщеплюються у дублет при ?>?c, і різні вітки дублету відповідають різним напрямкам обертання хвилі, що біжить, (різним знакам частоти): нижня вітка відповідає обертанню по годинній стрілці, а верхня - проти. Характерною рисою спектра системи з вільними граничними спінам є те, що значення частот усіх мод (крім моди однорідного розвороту з ?=0) не перетворюються на нуль при ?=?c. Дійсно, як видно з Рис.2б, при значенні ?=?r1?0.468 частоти двох віток дублету нижньої азимутальної моди зрівнюються, і при більших значеннях ? ці моди стають нестійкими (у лінійному наближенні).Таким чином, у дисертаційній роботі побудовано та розглянуто два типи модельних систем, що допускають аналітичний опис магнітних вихорів, теоретично вивчено проблему взаємодії магнітного вихору та нормальних магнонних мод системи, резонансної активації власних мод та стаціонарного руху вихору у системі кінцевого розміру. Обєктом дослідження були особливості спектру нормальних магнонних мод у системі з вихором, механізми збудження власних мод магнетику з вихором та статичні і динамічні властивості магнітних вихорів. Результати дисертаційної роботи показують, що наявність магнітоструктурного дефекту (вихору) призводить до появи нових фізичних властивостей магнітних середовищ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Таким чином, у дисертаційній роботі побудовано та розглянуто два типи модельних систем, що допускають аналітичний опис магнітних вихорів, теоретично вивчено проблему взаємодії магнітного вихору та нормальних магнонних мод системи, резонансної активації власних мод та стаціонарного руху вихору у системі кінцевого розміру. Обєктом дослідження були особливості спектру нормальних магнонних мод у системі з вихором, механізми збудження власних мод магнетику з вихором та статичні і динамічні властивості магнітних вихорів. Результати дисертаційної роботи показують, що наявність магнітоструктурного дефекту (вихору) призводить до появи нових фізичних властивостей магнітних середовищ.

В межах модельного опису розглянуто ряд особливостей спінової динаміки у двовимірних системах з вихором. Аналітично досліджена взаємодія вихору з власними магнонними модами системи та властивості магнітних вихорів у системах кінцевого розміру. Для плакетних моделей отримано залежності частот нормальних мод системи з вихором від величини анізотропії і продемонстровано придатність плакетного моделювання для аналізу властивостей систем великого розміру. Для комбінованої одновимірної моделі отримані аналітичні вирази для статичного вихору та вихору, що стаціонарно рухається, і показано подібність вихрової структури та динаміки з аналогічними властивостями вихорів у двовимірних системах.

Досліджено процес зміни поляризації магнітного вихору під впливом циркулярного просторово-однорідного магнітного поля. Побудовано схему лінійних резонансів, що виникають у системі під дією поля такої симетрії та сформульовано „каталізаторний” механізм перевороту вихору і дано пояснення щодо природи асиметрії процесу при зміні напряму обертання циркулярного поля.

1. Плакетний розгляд є достатнім для опису багатьох вихрових властивостей. У подібних системах у залежності від величини анізотропії існують вихори двох типів. Властивості спектра власних магнонних мод плакетів якісно збігаються з властивостями декількох низьколежачих мод систем великого розміру. У системах з вільною границею, на відміну від систем з фіксованими граничними спінами, спінова хвиля найнижчої першої азимутальної моди починає обертатися в протилежний бік.

2. На підставі плакетного розгляду передбачено кілька нових ефектів: утворення звязаного стану і трансформація найнижчої першої азимутальної моди системи з вільною границею у внутрішню моду позаплощинного вихору; можливість саморезонансу перших азимутальних мод найнижчого дублета при спеціальному упорядкуванні спінових вузлів; трансформація обємної спінової хвилі цієї моди в поверхневу при дуже слабкій анізотропії.

3. Циркулярне поле приводить до досить незвичайного механізму перевороту магнітного вихору. Цей механізм є каталізаторним - симетрична мяка мода системи з вихором збуджується опосередковано через першу азимутальну моду, що приводить до асиметрії процесу перевороту стосовно знака частоти зовнішнього циркулярного накачування. Отримано схему резонансів, що виникають при активації нанодота циркулярним полем.

4. Досліджено можливість моделювання властивостей магнітних вихорів у межах спрощеної квазіодновимірної моделі. Комбінований континуально-дискретний опис магнетика є достатнім для існування в такої системі двох типів вихрів - площинних і позаплощинних. У межах даної моделі аналітично отримані розподіли намагніченості у позаплощинних вихорах, що рухаються стаціонарно. При такому русі вихор виявляє асиметрію, характерну для вихору, що рухається у двовимірному магнетику. Для спільного континуально-дискретного опису розроблений варіант методу колективних змінних і знайдені аналітичні вирази для гіротензора і тензора вихрової маси.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ковалев А.С., Прилепский Я.Е., Нормальные моды конечномерной спиновой системы // Вісник ХДУ, серія „Фізика”. - 1998. - №417. - С. 32 - 35.

2. Ковалев А.С., Прилепский Я.Е., Нормальные моды конечномерной спиновой системы со свободной границей в вихревой конфигурации // Вісник ХДУ, серія „Фізика”. - 1999. - № 440. - С. 25 - 31.

3. Ковалев А.С., Мертенс Ф.Г., Прилепский Я.Е., Структура и динамика магнитного вихря в одномерной модели легкоплоскостного ферромагнетика // Вісник ХНУ, серія „Фізика”. - 2000. - № 476.- С. 7 - 14.

4. Ковалев А.С., Прилепский Я.Е., Механизм переворота вихрей в магнитных нанодотах под действием циркулярного магнитного поля. I. Резонансное воздействие поля на собственные моды нанодота // ФНТ.- 2002. - Т. 28, № 12. - С. 1292 - 1303.

5. Ковалев А.С., Прилепский Я.Е., Активация магнонных мод легкоплоскостного ферромагнетика с вихрем с помощью циркулярного магнитного поля // Вісник ХНУ, серія „Фізика”. - 2002. - №558. - С. 31 - 37.

6. Ковалев А.С., Прилепский Я.Е., Механизм переворота вихрей в магнитных нанодотах под действием циркулярного магнитного поля. II. Динамика спинового плакета с вихрем // ФНТ. - 2003. - Т. 29, № 1. - С. 71 - 83.

7. Ковалев А.С., Прилепский Я.Е., Одномерная модель вихря в легкоплоскостном ферромагнетике // ФНТ. - 2003. - Т. 29, № 2. - С. 189 - 204.

8. Kovalev A.S., Mertens F.G., Prilepsky J.E., Structure and dynamics of magnetic vortex in 1D model of easy-plane ferromagnet // Abstr. of EASTMAG-2001 Conference on Magnetism. -Ekaterinburg(Russia).- 2001. - P. 101.

9. Kovalev A.S., Prilepsky J.E., Dynamics of magnetic vortex in 1D model // Abstr. of International Akhiezer Centenary Conference „Theory of functions and mathematical physics”. - Kharkov(Ukraine). - 2001. - P. 54 - 55.

10. Kovalev A.S., Prilepsky J.E., Switching of magnetic vortex polarity in ac circular external field // 19th CMD Conference, Abstr. Book, Europhysics Conference Abstracts. - Brighton(Great Britain).- 2002.-Vol. 26A. - P. 179.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

Косевич А.М., Воронов В.П., Манжос И.В., Нелинейные коллективные возбуждения в легкоплоскостном магнетике // ЖЭТФ. - 1983. - т. 84, вып. 1. - С. 148 - 160.

Grunberg P., Layered magnetic structures: History, highlights, applications // Physics today. - 2001. - Vol. 54, N 5. - P. 31 - 38.

Magnetic vortex core observation in circular dots of permalloy / T. Shinjo, T. Okuno, R. Hassdorf, K. Shigeto, T. Ono // Science. - 2000. - Vol. 289, N 5481. - P. 930 - 932.

Mertens F.G., Bihsop A.R., Dynamics of vortices in two-dimensional magnets // in Nonlinear sciences at the down of the 21st century. Lecture notes in physics, ed. by P.L. Christiansen, M.P. Soerensen, A.C. Scott, Berlin: Springer - 2000. - P. 137 - 170.

Wysin G.M., Volkel A.R., Normal modes of vortices in easy-plane ferromagnets // Phys. Rev. B. - 1995. - Vol. 52, N 10. - P. 7412 - 7428.

Switching between different vortex states in two-dimensional easy-plane magnets due to an ac magnetic field / Yu. Gaididei, T. Kamppeter, F.G. Mertens, A.R. Bishop // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 61, N 14. - P. 9449 - 9452.

Macroscopic quantum tunneling of magnetization in a single crystal of nanomagnets / L. Thomas, F. Lionti, R. Ballou, D. Gatteschi, R. Sessoli, B. Barbara // Nature. - 1996. - Vol. 383, N 6596. - P. 145 - 147.

Размещено на .ru