Високочастотні властивості феромагнетиків та антиферомагнетиків в умовах нерезонансного збудження зовнішніми змінними полями

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОНЦЕРН “ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ”

ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ВИСОКОЧАСТОТНІ ВЛАСТИВОСТІ ФЕРОМАГНЕТИКІВ ТА АНТИФЕРОМАГНЕТИКІВ В УМОВАХ НЕРЕЗОНАНСНОГО ЗБУДЖЕННЯ ЗОВНІШНІМИ ЗМІННИМИ ПОЛЯМИ

Сльозова Жанна Віталіївна

УДК 530.1: 537.622.4: 537.622.5

01.04.02 теоретична фізика

Харків 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті монокристалів Науково-технологічного концерну “Інститут монокристалів” НАН України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук,

професор, академік НАН України

Семиноженко Володимир Петрович,

Інститут монокристалів” НАН України,

науковий керівник НТК

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор за кафедрою теоретичної фізики,

член-кореспондент АПН

України, заслужений діяч науки

Горобець Юрій Іванович,

Національний технічний університет

України “КПІ”, .завідувач кафедри загальної фізики

доктор фізико-математичних наук,

професор за кафедрою теоретичної фізики

Єрмолаєв Олександр Михайлович,

Харківський національний університет ім.В.Н.Каразіна,

завідувач кафедри теоретичної фізики

Провідна установа:

Київський національний

університет ім.Тараса Шевченка,

фізичний факультет, Міністерство

освіти і науки України, м.Київ

Захист відбудеться 12 грудня 2001 р. о 1400 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.169.01 в Інституті монокристалів

Науково-технологічного концерну “Інститут монокристалів” НАН України за адресою: 61001, м.Харків, пр.Леніна, 60.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту монокристалів Науково-технологічного концерну “Інститут монокристалів” НАН України.

Автореферат розісланий 9 листопада 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.169.01

кандидат технічних наук Атрощенко Л.В.

Загальна характеристика роботи

нерезонансний частота акустичний фонон

Актуальність теми. Особливість сучасного розвитку теорії кінетичних явищ у твердих тілах полягає в переході до дослідження суттєво нелінійних та нерівноважних явищ. Подібні явища, як правило, виникають під час впливу на тверді тіла інтенсивного високочастотного електричного та магнітного поля. Важливість цього напрямку досліджень зумовлена насамперед тим, що під час впливу цих типів поля виникають істотно нерівноважні стани і в системі можна спостерігати цілу низку властивостей, що принципово відрізняються від термодинамічно рівноважного випадку. Інтерес до вивчення подібних явищ викликаний також тим, що створення та розробка нових типів приладів для високочастотної техніки та електроніки потребує виявлення та використання саме нелінійних та нерівноважних явищ. Ці явища реалізуються, в першу чергу, в таких твердих тілах, як феродіелектрики, антиферодіелектрики, напівпровідники, феромагнітні напівпровідники, надпровідники.

Магнітоупорядковані кристали (феромагнетики, антиферомагнетики, ферити) є надзвичайно важливим об'єктом досліджень у теорії твердого тіла та в її застосуванні. На відміну від немагнітних матеріалів, у цих кристалах більшість кінетичних, термодинамічних і високочастотних електромагнітних властивостей (за умови достатньо низьких температур) визначається специфічними квазічастинковими збужденнями, які згідно з їхньою хвильовою природою мають назву спінових хвиль. Зазначені властивості магнітних діелектриків, феромагнетиків та антиферомагнетиків зумовлені як власне особливостями спінових хвиль та відповідних ним квазічастинок - магнонів, так їх взаємодією одне з одним, з домішками (магнітними неоднорідностями), фононами та іншими квазічастинками.

Важливим типом феромагнетиків, інтерес до яких особливо виявляється протягом останніх 1015 років, є феромагнітні напівпровідники, тобто феромагнетики з провідністю n- чи p-типу. Наявність у феромагнітних напівпровідниках разом із електронною (дірковою) та фононною ще й магнонної підсистеми, а також спінове розщеплення спектру визначають складний характер кінетичних процесів і як наслідок цього розмаїття нелінійних та нерівноважних властивостей, що можуть виявлятися під впливом на феромагнітні напівпровідники інтенсивного зовнішнього поля. Таким чином, виявлення особливостей кінетичних і високочастотних явищ у феромагнетиках та антиферомагнетиках, феромагнітних напівпровідниках, що перебувають в умовах інтенсивних зовнішніх впливів, є актуальною задачею.

Розглянуті вище питання свідчать про великий інтерес до проблем істотно нерівноважних станів у магнітних матеріалах.

Переважна кількість робіт, пов'язана з дослідженням кінетичних властивостей та нерівноважних процесів магнітних матеріалів, була присвячена вивченню станів близьких до рівноважних. Головним завданням даної роботи було побудування теорії, в межах якої можна було б запропонувати послідовне дослідження станів далеких від рівноважних. Ця проблема і буде розв'язана в даній дисертаційній роботі.

У дисертації побудовані кінетичні рівняння для функції розподілу спінових хвиль і фононів, а також для самоузгоджених полів спінових хвиль. Автором сформульовані дисперсійні співвідношення для спектрів спінових хвиль у феромагнетиках та антиферомагнетиках у станах далеких від рівноважних. Перехід до рівноважних станів пов'язаний із дією нерезонансної паралельної накачки. У роботі розглянуто питання про вплив такого засобу збудження магнетиків на зміну частот однорідного феромагнітного та антиферомагнітного резонансу. Отримано кінетичні рівняння для фононів в антиферомагнетиках завдяки нерезонансній паралельній накачці, та вивчено особливості генерації високочастотних акустичних фононів у таких умовах. Розглянуто питання про можливість нерівноважного пригнічення намагніченості високочастотною акустичною накачкою у феромагнетиках. Досліджено вплив багатоквантового поглинання високочастотного електричного поля на намагніченість феромагнітних напівпровідників.

Розуміння цього кола явищ, побудова теорії вказаних кінетичних та нерівноважних явищ у магнетиках у нерезонансних зовнішніх високочастотних полях є питанням цікавим не тільки з точки зору розвитку теоретичних методів дослідження магнітних систем, але й для практичних застосувань результатів у створенні нових приладів для високочастотної техніки, заснованої на використанні нелінійних властивостей феромагнетиків та антиферомагнетиків. Іншим колом явищ, розглянутих у дисертації, є вивчення поведінки магнітних моментів у випадкових, топологічно нетривіальних магнітних полях.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Інституті монокристалів НАН України у рамках відповідно до держбюджетних тем: “Взаємодія та релаксація квазічастинкових збуджень у металах” (реєстраційний № 01.86.0031283), “Електронні взаємодії в провідникових системах” (реєстраційний № 0196U002952), “Дослідження нерівноважних фазових перетворень у конденсованих середовищах” (реєстраційний № 0198U0044257).

Мета роботи - побудова й теоретичний аналіз кінетичних рівнянь для систем слабовзаємодіючих квазічастинок у феромагнетиках та антиферомагнетиках в інтенсивних зовнішніх полях. У процесі роботи було вирішено такі завдання:

розрахунок дисперсійного співвідношення для спектрів спінових хвиль у феромагнетиках та антиферомагнетиках в умовах нерезонансної паралельної накачки;

дослідження впливу нерезонансної паралельної накачки на частоти однорідного феромагнітного й антиферомагнітного резонансу, а також можливості нерівноважного пригнічення намагніченості високочастотною акустичною накачкою у феромагнетиках;

побудова кінетичного рівняння для фононів у антиферомагнетиках в умовах нерезонансної паралельної накачки;

вивчення особливостей генерації високочастотних акустичних фононів в умовах нерезонансної паралельної накачки;

дослідження впливу багатоквантового поглинання високочастотного електричного поля на намагніченість феромагнітних напівпровідників;

вивчення поведінки магнітних моментів у випадкових, топологічно нетривіальних магнітних полях.

Наукова новизна одержаних результатів. Усі наукові результати, викладені в главах 14 дисертації, є новими. Частина їх, що відноситься до нелінійної кінетики феромагнетиків та двох підграткових антиферомагнетиків, істотно розвиває уявлення про нелінійні явища у твердих тілах. У дисертації вперше отримано кінетичні рівняння для магнонів, у яких точно враховано вплив зовнішнього змінного нерезонансного магнітного, електричного та звукового полів. Вивчено поведінку магнітних моментів у зовнішніх, випадкових магнітних полях із нетривіальною топологією. Показано, що навіть у випадку однорідних та ізотропних зовнішніх полів, з'являється два типи незвичайних ефектів, які пов'язані з їх топологічною нетривіальністю. Це - дрейфовий потік у просторі швидкостей та перехресна дифузія.

Теоретичне та практичне значення одержаних результатів. Результати, отримані в дисертації, є теоретичною основою для інтерпретації експериментів щодо поглинання електромагнітних хвиль магнітоупорядкованими матеріалами та магнітними напівпровідниками. Представлені результати будуть корисними для створення нелінійних поглиначів і генераторів.

Особистий внесок здобувача. Задачу на проведення досліджень, виконаних у дисертаційній роботі, було поставлено науковим керівником. Результати, опубліковані в роботі [1], здобувач отримав самостійно. Дисертант виконав основну частину обчислень у роботах [2, 4, 8]. Автор на всіх етапах роботи брав активну участь в обговоренні одержаних результатів. Йому особисто належить інтерпретація стимуляції намагніченості під впливом зовнішнього ультразвуку. Здобувач брав участь у процесі формулювання остаточних висновків у всіх роботах, які було опубліковано у співавторстві, приймав безпосередню участь у написанні текстів статей та особисто докладав результати на семінарах. Дисертанту належать кількісні оцінки ефектів, розглянутих в опублікованих роботах [5-9], а також виявлення умов експериментального спостереження передбачених явищ у конкретних матеріалах.

Публікації та апробація роботи. Основний зміст дисертації опубліковано в 7 друкованих виданнях у міжнародних та вітчизняних журналах і в 2 тезах доповідей на конференціях.

Про результати досліджень автор доповідав та обговорював їх на теоретичних семінарах в Інституті монокристалів (1999, 2000, 2001 рр.), а також на XII-й Всесоюзній конференції із питань акустоелектроніки та квантової акустики (Саратов, 1983 р.), Всесоюзних семінарах із питань спінових хвиль (Ленінград, 1982, 1984, 1986 рр.), XVII-й Всесоюзній конференції з проблем фізики магнітних явищ (Донецьк, 1985 р.), Міжнародній школі НАТО (Крим, Україна, 1997 р.).

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 114 сторінок машинописного тексту. Перелік використаних літературних джерел містить 124 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, відзначено наукову новизну та практичну цінність дисертаційної роботи. Наведено відомості про апробацію, особистий внесок здобувача. Наведено короткий огляд змісту по розділах.

Перший розділ дисертації присвячено вивченню високочастотних властивостей феродіелектриків і антиферодіелектриків в умовах нерезонансної паралельної накачки.

Як було встановлено раніше характер взаємодії високочастотних полів з феромагнетиками та антиферомагнетиками істотно визначається співвідношенням між частотой поля та характерними енергіями у спектрі спінових хвиль. У нерезонансному випадку, коли частота змінного магнітного або звукового поля перевищує , де - енергія активації у спектрі спінових хвиль, кванти зовнішнього поля стимулюють народження надмірного числа (в порівнянні з рівноважним випадком) збуджень Це відбувається завдяки процесам, які можна схематично зобразити таким чином (- частоти магнонів, які народжуються, постійна Планка дорівнює 1).

У випадку, коли частота менш ніж величина 2(), енергія кванту вже недостатня для нарождення двох спінових хвиль. У розділі вивчаються особливості повідінки ферромагнетиків та антиферромагнетиків у змінних магнітних полях , які спрямовлені паралельно постійному магнітному полю, у випадку, коли частота накачки менш ніж здвоєна величина (). Як раз у цьому віпадку характер поглинання високочастотного поля є натривиальним.

Якщо водночас з виконанням умови частота істотно перевищує частоту релаксації магнонів, тобто , то таку ситуацію і називають нерезонансною паралельною накачкою. Паралельна накачка принципово відрізняється для випадків та . У першому випадку завдяки розпаду кванта однорідної зовнішньої хвилі з енергією на дві спінові хвилі (за схемою , де - енергія магнона з волновим вектором ) у системі спінових хвиль виникає параметричний резонанс. Головним каналом передачи енергії від джерела поля до спінової підсистеми магнетика є “пряме” параметричне резонансне збудження магнонів. На відміну від резонансної паралельної накачки у нерезонансному випадку пряме народження магнонів статися не може, тому що, це суперечить законам збереження енергії. Але завдяки тому, що магнони можуть росіюватися на дефектах, взаємодіяти з різними збудженнями у магнітних кристалах є можливіть поглинання енергії СВЧ-поля.

У розділі 1. отримано кінетичні рівняння для бозе-амплітуд спінових хвиль, тобто середніх значень типу ( оператори народження та знищення магнонів, позначає усереднення з нерівноважним розподілом Гібса) з використанням гамільтоніану взаємодії спінових хвиль із зовнішнім нерезонансним змінним магнітним полем, прикладеним паралельно осі намагніченості, а також із домішками, магнонами та іншими квазічастинками Для виведення кінетичних рівнянь було використано метод скороченого опису систем багатьох частинок на кінетичному етапі еволюції стосовно систем слабовзаємодіючих квазічастинок в інтенсивних зовнішніх полях. Кінетичне рівняння для самоузгоджених полів спінових хвиль має вигляд:

, (1)

інтеграл зіткнень дорівнює:

=

. (2)

Риски над амплітудами взаємодії домішок із спіновими хвилями ( і ) означають усереднення по хаотичному розподілу домішок, функції Беселя -го порядку, , амплітуда зв'язку спінових хвиль з імпульсом p з магнітним полем.

В отриманих кінетичних рівняннях зовнішнє нерезонансне високочастотне поле враховано точно, а нерівноважну теорію збурень розвинуто лише для умов слабкої взаємодії спінових хвиль з іншими квазічастинками [2, 3,8].

Відмітимо особливості інтегралу зіткнень. З точним урахуванням зовнішнього однорідного у просторі магнітного поля пов'язана поява функції Беселя в інтегралі зіткнень. Це відрізняє інтеграл зіткнень, який було одержано, від інтегралів зіткнень для полів у випадку нерівноважних станів близьких до рівноваги. В інтеграл зіткнень не входить функція розподілу магнонів. Результат (2) є наближеним. Це пов'язано з тим, що ми виходили з одномагнонного гамільтоніану взаємодії спінових хвиль з домішками, який має вигляд:

. (3)

Урахування гамільтоніанів взаємодії, які містять три, чотири і т.д. оператори спінових хвиль, привело до того, що в інтеграл зіткнення входить також і функція розподілу магнонів . Точніше кажучи, при цьому отримуємо систему зв'язаних рівнянь для і . Розгляд таких гамільтоніанів, як показали дослідження, приводить до малих поправок, які одержані на основі кінетичного рівняння (1).

За допомогою (1) отримано дисперсійне рівняння для спектру спінових хвиль, коли , де частота поля, час для релаксації магнонів і головним механізмом розсіювання магнонів є магнон-домішкові взаємодії для феромагнетиків та антиферомагнетиків із магнітною анізотропією типу “легка площина”.

Далі в цьому ж розділі з метою обчислення поляризаційного оператора для спінових хвиль, що визначає залежність спектру магнонів від інтенсивності та частоти нерезонансної паралельної накачки, проведено аналіз ефективності різних механізмів у стохастизації спінових хвиль внаслідок їх розсіювання на магнітних неоднорідностях. Дослідження проведено як для випадку феромагнетиків, так і для випадку антиферомагнетиків. Визначено, що головну роль в амплітудах взаємодії спінових хвиль із дефектами відіграє складова, яку зумовлює релятивістська магнітострикція (як для феромагнетиків, так і для антиферомагнетиків). Використовуючи отримані висновки, дисертант показав, що внаслідок впливу нерезонансної паралельної накачки на феромагнетики та антиферомагнетики відбувається зсув частот однорідного феромагнітного та антиферомагнітного резонансу.

Розв'язок дисперсійного рівняння, яке одержане на основі кінетичного рівняння (1), приводить до наступних формул для поправок до спектру спінових хвиль:

. (4)

Поляризаційні оператори і визначаються формулами:

=, (5)

= . (6)

Із цих формул можна отримати вираз для зсуву частот однорідного феромагнітного (антиферомагнітного) резонансу.

Проаналізовано випадки розсіювання спінових хвиль на парамагнітних домішках, центрах дилатацій та дислокаціях для феромагнетиків, а для антиферомагнетиків - розсіювання на центрах дилатацій та дислокаціях. За конкретні оцінки наведено результати для залізоіттрієвого граната та сполуки .

Відносний зсув частот феромагнітного резонансу на дислокаціях описується формулою:

, (7)

де концентрація дислокацій, вектор Бюргерса, приведена константа стрікції, , силова константа в спектрі спінових хвиль , довжина дислокації, частота феромагнітного резонансу, (гіромагнітне відношення).

Формула (7) описує головний внесок у зсув лінії феромагнітного резонансу в реальних кристалах із дефектами. Крім того, шляхом експериментального дослідження величини зсуву частот феромагнітного резонансу, можна знайти концентрацію дислокацій у тілі, тобто ступінь недосконалості кристалу.

У другому розділі дисертації розглянуто акустичні нерівноважні явища в умовах нерезонансного збудження магнетиків високочастотним полем. Для дослідження таких явищ в умовах нерезонансної паралельної накачки отримано кінетичне рівняння для функції розподілу фононів у випадку антиферомагнетику з магнітною анізотропією типу “легка площина” [1,4]. Отримано результати у високочастотному наближенні ?ф>>1. Наведене кінетичне рівняння [4] описує процеси поглинання та випромінювання фононів, індуковані багатоквантовим поглинанням нерезонансного високочастотного магнітного поля. У результаті проведеного після цього аналізу дисертант зробив висновок, що участь квантів зовнішнього поля в магнон-фононних взаємодіях принципово змінює кінетику фононів у антиферомагнетику типу “легка площина”. А саме: можуть проходити ті елементарні процеси розсіювання спінових хвиль на фононах, які у відсутність нерезонансної паралельної накачки заборонені через несумісність законів збереження енергії та імпульсу. Головну увагу в розділі приділено дослідженню особливостей вимушеної генерації акустичних фононів під час поглинання нерезонансної паралельної накачки. Отримано важливі результати виходячи з аналізу кінетичного рівняння в одноквантовому випадку (малі інтенсивності нерезонансної паралельної накачки). Для тих антиферомагнетиків типу “легка площина”, в яких звукова хвиля розповсюджується зі швидкістю більшою за швидкість спінової хвилі, фонони генеруються у вузькій спектральній зоні, ширина якої визначається через частоту змінного магнітного поля. У випадку антиферомагнетиків типу “легка площина”, в яких швидкість спінових хвиль перевищує швидкість звуку, можна спостерігати генерацію фононів із частотами, що значно перевищують частоту накачки. Окрім цього, збудження антиферомагнетиків за допомогою нерезонансної паралельної накачки може служити засобом для створення генераторів твердого тіла високочастотних фононів. Конкретні оцінки [4] проведено для двох антиферомагнетиків типу “легка площина” : та .

У цьому ж розділі розглянуто акустичний засіб створення нерівноважних станів у магнетиках через високочастотну звукову накачку з частотою [2, 4], коли квант зовнішнього поля безпосередньо народжує два магнони. Як виходить із аналізу кінетичного рівняння для функції розподілу, такий засіб збудження магнетиків веде до зростання числа спінових хвиль порівняно з термодинамічно рівноважним станом. Нетеплове розігрівання газу, що при цьому проходить, змінює термодинамічні параметри феромагнетиків. У результаті розв'язку у -наближенні кінетичного рівняння для спінових хвиль під час акустичної накачки [1] визначено зміну намагніченості феромагнетиків. Дисертант показав, що акустична накачка, інтервал частот якої для реальних магнетиків починається з гігагерцевого діапазону (), призводить до помітного ефекту нерівноважного пригнічення намагніченості. Найбільш суттєво даний ефект може виявлятися поблизу точок фазового переходу другого роду типу спінової переорієнтації.

Наведемо формулу для зміни намагніченості під впливом звукової акустичної накачки:

, (8)

де швидкість звуку, час релаксації магнонів, температура Кюрі, амплітуда звукової хвилі, хвильовий вектор звукової хвилі, частота звукової хвилі, енергія активації спінових хвиль, температура тіла.

Як відомо, під час спін-переорієнтаційних фазових переходів обертається на нуль. Саме з цією обставиною пов'язане зростання еффекту. Формально при цьому прагне до нескінченності. Цей результат означає, що пригнічення намагніченості звуковою накачкою потребує особливого розгляду поблизу спін-переорієнтаційного фазового переходу, коли зв'язок звукових та спінових коливань стає сильним. Формула (8) справедлива в області параметрів, де .

У третьому розділі розглянуто нерівноважні ефекти, що виникають під час поглинання феромагнітними напівпровідниками високочастотного електричного поля. Виходячи з розв'язання кінетичного рівняння для функції розподілу магнонів, дисертант показав, що багатоквантове поглинання поля в актах електрон-магнонних зіткнень призводить до створення істотно нерівноважних станів у спіновій підсистемі феромагнітних напівпровідників [5]. Останнє, у свою чергу, відбивається на такій важливій макроскопічній характеристиці, як намагніченість. При температурах, що перевищують енергію спінового розщеплення у спектрі електронів, коли найбільш ефективним механізмом електрон-магнонних взаємодій є процеси переходу електронів між спіновими підзонами з випромінюванням (поглинанням) спінових хвиль, для слабо нерівноважних станів визначено ступінь намагніченості в багатоквантовому наближенні. При цьому показано [5], що для переходів електронів, які стимулюються інтенсивним імпульсним зовнішнім полем та виходять переважно з нижньої спінової підзони на верхню й супроводжуються нерівноважним зменшенням числа магнонів (їх поглинанням у цих процесах), можна спостерігати ефект стимулювання намагніченості, тобто зростання намагніченості порівняно з термодинамічно рівноважним станом. Інакше кажучи, може виникати ефект, який раніше було розглянуто для одноквантового випадку. У цьому ж розділі дисертант визначив нелінійний характер залежності розміру намагніченості від інтенсивності змінного поля. Далі розглянуто випадок ( розмір розщеплення), коли трьохчастинкові електрон-магнонні взаємодії не є ефективними і кінетика як для електронів, так і для магнонів визначається чотирьохчастинковими електрон-магнонними розсіюваннями, в яких розсіювання електронів на магнонах проходить без перевороту спіна. На відміну від попереднього випадку виявлено, що в результаті поглинання квантів зовнішнього поля відбувається збереження повної кількості спінових хвиль і водночас виникає перерозподіл магнонів за частотами в бік більших частот. Також показано, що “охолодження”спінових хвиль у низькочастотній області спектру, незважаючи на “розігрівання” магнонів в області високих частот, призводить до ефекту нерівноважного стимулювання намагніченості. Цей ефект за своїм механізмом є аналогічним ефекту стимулювання надпровідності високочастотним електромагнітним полем та ефекту стимулювання намагніченості для феродіелектриків в умовах нерезонансної паралельної накачки.

У четвертому розділі дисертант вивчає поведінку магнітних моментів у випадкових, топологічно нетривіальних магнітних полях [7]. Автор побудував кінетичне рівняння типу Фокера-Планка для магнітних моментів. Як динамічні змінні величини разом зі швидкістю розглянуто густину спінового моменту. На базі кінетичного рівняння отримано рівняння двокомпонентної дифузії магнітних моментів уздовж градієнтів швидкості та намагніченості. Дисертант показав, що, окрім звичайної дифузії, виникає перехресна дифузія. Обчислено коефіцієнти дифузії. Показано, що перехресний коефіцієнт дифузії визначається топологічним інваріантом поля.

Тензорний коефіцієнт дифузії із простору магнітних моментів у простір швидкостей визначається формулою:

, (9)

де намагніченість системи в точці , гіромагнітне відношення, маса частиці, густина спіральності, що характеризує топологічну нетривіальність магнітних полів.

Під час руху магнітних моментів у випадкових, топологично нетривіальних, однородних та ізотропних магнітних полях виникає два ефекта. По-перше, це дрейфовий потік у проторі швидкостей. Величина цього потока пропорційна спіральності, а напрямок дрйфового потоку формується уздовж напрямку магнітного моменту. З фізичної точки зору це означає, що виникає ефективна сила, яка прискорює магнітні моменти. Другий важливий ефект пов'язаний з дифузійним потоком. Коефіцієнт дифузії цього потоку пропорційний спіральності. Цей перехрестний дифузійний потік визначає обмін між протором швидкостей та магнітних моментів.У випадках відсутності топологічних особливостей () коефіцієнт перехресної дифузії дорівнює нулю і дифузія у просторі швидкостей та просторі моментів відбувається незалежно.Коли однорідність або ізотропність порушається, то означені єфекти не зникають, але з'являються нові додаткові ефекти, що пов'язанні з порушенням симетрії. Ці ефекти можна одержати аналогічним чином.

Усі вищерозглянуті результати одержані автором вперше та раніше в науковій літературі не друкувались. Здається важливим і необхідним обговорити їх достовірність через те, що більшість результатів стосуються сильно нерівноважних станів магнітних систем. Розглядання таких систем стало актуальним в останнє десятиріччя. На думку автора, достовірність отриманих результатів грунтується на достатньо перевіреному методі побудови кінетичних рівнянь для систем слабовзаємодіючих частин в інтенсивних зовнішніх полях, який використовується для отримання основних результатів у цій роботі. Відзначимо, що в роботі для розглядання конкретних систем (феродіелектрики, антиферодіелектрики, феромагнітні напівпровідники) застосовано загальновикористовувані моделі для опису взаємодії спінових хвиль із домішками, одного з одним, іншими квазічастинками, а також для опису взаємодії спінових хвиль із зовнішнім змінним полем. Так, наприклад, для опису феромагнітних напівпровідників використано найбільш універсальну модель, що змальовує взаємодію електронів із локалізованими спінами s-d модель обміну Вонсовського. Під час оцінки ефектів, що визначалися, розглянуто реальні параметри магнетиків та отримано розміри ефектів, доступних для експериментального визначення. Деякі ефекти, розглянуті в роботі, є аналогами тих явищ, які раніше були теоретично передбачені та знайдені експериментально в інших підсистемах багатьох частин в інтенсивних зовнішніх полях. Найбільш близьку аналогію можна провести з надпровідниками, що знаходяться у високочастотному електромагнітному полі. Так, генерація акустичних фононів в антиферомагнетиках під впливом високочастотного магнітного поля, розглянута в дисертації має механізм близький до генерації фононів у надпровідникових плівках.

ВИСНОВКИ

Виведено дисперсійні рівняння для спектрів спінових хвиль у феромагнетиках та легкоплощинних антиферомагнетиках в умовах нерезонансної паралельної накачки.

Показано, що високочастотне магнітне поле викликає зсув (зменшення) частот однорідного феромагнітного та антиферомагнітного резонансу, і наведено формули для цього зсуву.

Отримано кінетичне рівняння для фононів в антиферомагнетиках, що враховує вплив змінного магнітного поля на магнон-фононні взаємодії.

Вивчено та досліджено особливості генерації високочастотних фононів антиферомагнетиками з магнітною анізотропією типу “легка площина” під час їх збудження нерезонансною паралельною накачкою, і знайдено формули для цієї генерації.

Передбачено новий ефект нерівноважного пригнічення намагніченості феромагнетиків акустичною накачкою, знайдені формули, які описують зміну намагніченості. Показано, що цей ефект особливо великий біля точок фазового переходу.

Доведено, що під час руху магнітних моментів у випадкових, топологічно нетривіальних, однорідних та ізотропних полях виникають нові незвичайні ефекти перенесення: по-перше, дрейфовий потік у просторі швидкостей, по-друге, ефект, пов'язаний із дифузійним потоком у координатному просторі. Розраховано коефіцієнти перехресної дифузії (між простором швидкостей та простором магнітних моментів).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Слёзова Ж.В. Влияние интенсивного звука на намагниченность ферромагнетиков // ФТТ - 1983. - Т. 23, № 6. - С. 1909 - 1910.

2. Семиноженко В.П., Слёзова Ж.В., Соболев В.Л. Однородный резонанс в магнетиках при нерезонансной параллельной накачке // ФНТ. - 1985. - Т. 11, № 7. - С. 747 - 755.

3. Seminozhenko V.P. and Slyozova Zh.V. Ferromagnetic resonance under nonresonance parallel pumping // Solid State Comm. - 1984. - V. 49, № 8. - P. 783 - 784.

4. Сапогов С.А., Семиноженко В.П., Слёзова Ж.В., Соболев В.Л. Генерация высокочастотных фононов при возбуждении антиферромагнетиков нерезонансной параллельной накачкой // ФНТ. - 1986. - Т. 11, № 11

5. Сапогов С.А., Семиноженко В.П., Слёзова Ж.В. Стимулирование намагниченности ферромагнитных полупроводников импульсным высокочастотным полем // ФТТ. - 1983. - Т. 25, № 9. - С. 2794 - 2795.

6. Bogdan M., Slyozova Zh. NATO-ASI Frontiers in Magnetism of Reduced Dimension System / Ed. by V.Bar'yakhtar, Ph.Wigen and N.Lesnik.Kluger Publishing Company, Ser.3 High Technology, V.49, 1998. - 598 p.

7. Слёзова Ж.В., Тур А.В., Яновский В.В. Влияние топологичепски нетривиальных магнитных полей на эволюцию магнитных моментов // Функциональные материалы. 2000. Т.7, № 3. С.384 - 389.

8. Семиноженко В.П., Слёзова Ж.В. Ферро- и антиферромагнитный резонанс при нерезонансной параллельной накачке // Труды XVII Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. - Донецк. - 1985. - С. 269 - 270.

9. Семиноженко В.П., Слёзова Ж.В., Соболев В.Л. Влияние интенсивного звука на намагниченность ферромагнетиков // Труды XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике. - Часть 1. - Саратов. - 1983. - С. 60 - 61.

Анотація

Сльозова Ж.В. Високочастотні властивості феромагнетиків та антиферомагнетиків в умовах нерезонансного збудження зовнішніми змінними полями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.02 - теоретична фізика. - Інститут монокристалів Науково-технологічного концерну “Інститут монокристалів” НАН України, Харків, Україна, 2001.

Робота присвячена вивченню фізичних властивостей твердих тіл у станах, які далекі від термодинамічно рівноважних. Такі стани виникають під впливом сильного зовнішнього змінного (магнітного, електричного, звукового) поля на феромагнетики та антиферомагнетики.

Для вивчення нерівноважних явищ у твердих тілах автор використовує метод кінетичного рівняння в тому вигляді, як це було розвинуто академіком НАН України С.В.Пелетмінським із співробітниками. Oдержано дисперсійні рівняння для квазічастинок у магнітних кристалах, розраховано зміну функції розподілу спінових хвиль (явище “охолодження” низькочастотної гілки магнонів), описано явище стимульованого гіперзвуку в антиферомагнетику за рахунок багатократного поглинання квантів зовнішнього магнітного поля. Розраховано коефіцієнти дифузії у просторі швидкостей та магнітних моментів із топологічними особливостями поля швидкостей.

Ключові слова: нерезонансна паралельна накачка, кінетичне рівняння, спінові хвилі, магнони, ультразвук, дисперсійні рівняння, топологічні особливості, зсув частот.

Summary

Slyozova Zh.V. High frequency properties of ferromagnets and antiferromagnets in strong external magnetic fields.- Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 01.04.02 - theoretical physics. - Institute for Single Crystals, Concern of Science and Technology “Institute for Single Crystals” of National Academy of Science of Ukraine, Kharkive, 2001.

The dissertation is devoted to the investigation of the physical properties of solids in the states far from thermodynamic equilibrium. These states are realized in ferromagnets and antiferromagnets under the influence of strong alternating external fields (magnetic, electric, and acoustic). To study the non-equilibrium states in solids, the kinetic equation method in the form developed by S.V. Peletminsky and co-workers has been applied. Based on this approach, dispersion equations for quasi-particles in magnetic crystals have been obtained. Variation of spin wave distribution function (effect of “cooling” of the low frequency magnon branch) has been calculated. The effect of the stimulated emission of the hyper-sound in the antiferromagnet due to multiple absorption of quanta of the external magnetic field has been described.

The kinetic properties of a magnetic substance in an external magnetic fields with spatial topological peculiarities are investigated. The diffusion coefficients in the space of magnetic moments and velocities have been calculated .

Key words: non-resonant parallel pumping, kinetic equations, spin waves, ultra-sound, dispersion equation, magnons, topological peculiarities, frequency shift.

Аннотация

Слёзова Ж.В. Высокочастотные свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков при нерезонансном возбуждении внешними переменными полями. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.02 - теоретическая физика. - Институт монокристаллов Научно-технологического концерна “Институт монокристаллов” НАН Украины, Харьков, Украина, 2001.

Работа посвящена изучению физических свойств твердых тел в состояниях, которые далеки от состояния термодинамического равновесия. Такие состояния возникают под воздействием на ферромагнетики и антиферромагнетики сильных внешних переменных полей (магнитного, электрического и звукового). Для изучения неравновесных явлений в твердых телах автор использует метод кинетического уравнения в том его виде, как это было развито академиком НАН Украины С.В. Пелетминским с сотрудниками. Рассмотрены высокочастотные свойства одноосных ферромагнетиков и легкоплоскостных антиферромагнетиков.

Получено дисперсионное уравнение для спектров спиновых волн при точном учете амплитуды внешнего переменного магнитного поля в условиях нерезонансной параллельной накачки. Проведен анализ эффективности различных механизмов стохастизации спиновых волн при их рассеянии на магнитных неоднородностях. Рассмотрение проведено как для случая ферромагнетиков, так и для случая антиферромагнетиков. Определено, что главную роль в амплитудах взаимодействия спиновых волн с дефектами играет составляющая, обусловленная магнитострикцией (как для феррромагнетиков, так и для антиферрромагнетиков).

Показано, что даже в случае слабого переменного поля (одноквантовое приближение) нерезонансная параллельная накачка может оказывать существенное влияние на сдвиг и ширину линии однородного ферромагнитного и антиферромагнитного резонанса. Проведены численные оценки для железо-иттриевого граната и соединения FeBO3. Показано, что главным механизмом сдвига частоты ферромагнитного резонанса при нерезонансной параллельной накачке являются стимулированные переменным полем процессы взаимодействия спиновых волн с деформациями, создаваемыми дефектами. Аналогичные формулы получены для антиферромагнетиков. Показана возможность нахождения концентрации дислокаций путем экспериментального наблюдения сдвига частот ферромагнитного резонанса, что может служить методом изучения степени несовершества кристалла.

Рассмотрены акустические неравновесные явления при нерезонансном возбуждении магнетиков высокочастотным полем. Получено кинетическое уравнение для функции распределения фононов в случае антиферромагнетиков с магнитной анизотропией типа “легкая плоскость”, которое описывает процессы поглощения и излучения фононов, индуцированные многоквантовым поглощением нерезонансного высокочастотного магнитного поля. Построена теория стимулированной генерации акустических фононов из-за участия квантов внешнего нерезонансного переменного магнитного поля в элементарных актах магнон-фононных взаимодействий. Расчитана зависимость спектральной функции генерации фононов от параметров магнитного поля. Показано, что частоты генерируемых фононов в антиферромагнетиках могут значительно превосходить частоту накачки внешнего переменного магнитного поля в том случае, когда скорость спиновой волны в антиферромагнетике больше скорости звука. Конкретные оценки проведены для двух антиферромагнетиков типа “легкая плоскость” FeBO3 и MnCO3 .

Построена теория неравновесного подавления намагниченности ферромагнетиков и антиферромагнетиков за счет фононной накачки с достаточно большими частотами (), где - энергия активации в спектре спиновых волн. Получены формулы для изменения намагниченности ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Показано, что в зависимости от амплитуды звука, а также параметров ферромагнетиков можно реализовывать заметное неравновесное подавление намагниченности.

Показана возможность проявления эффекта стимулирования намагниченности ферромагнитных полупроводников при многоквантовом поглощении высокочастотного электромагнитного поля.

Изучено поведение частиц с магнитными моментами в случайных, топологически нетривиальных магнитных полях. Получены коэффициены диффузии частиц в пространстве скоростей и магнитных моментов. Показано, что в случае однородных и изотропных внешних полей появляются два типа эффектов, которые связаны с топологическими особенностями поля - это дрейфовый поток в пространстве скоростей и перекрестные диффузионные потоки в пространстве скоростей и магнитных моментов.

Ключевые слова: нерезонансная параллельная накачка, кинетические уравнения, спиновые волны, ультразвук, дисперсионное уравнение, магноны, топологические особенности, сдвиг частот.

Размещено на Allbest.ru