Главная » 2014 » Июль » 22 » Скачать Теория спинового упорядочения в средах с магнитным дипольным взаимодействием при наличии микроскопических магнитных неоднородностей. бесплатно
9:09 PM
Скачать Теория спинового упорядочения в средах с магнитным дипольным взаимодействием при наличии микроскопических магнитных неоднородностей. бесплатно
Теория спинового упорядочения в средах с магнитным дипольным взаимодействием при наличии микроскопических магнитных неоднородностей
Диссертация
Автор: Акимов, Михаил Львович
Название: Теория спинового упорядочения в средах с магнитным дипольным взаимодействием при наличии микроскопических магнитных неоднородностей
Справка: Акимов, Михаил Львович. Теория спинового упорядочения в средах с магнитным дипольным взаимодействием при наличии микроскопических магнитных неоднородностей : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.02 Москва, 2002 107 c. : 61 03-1/487-X
Объем: 107 стр.
Информация: Москва, 2002
Содержание:
Глава 1 Влияние точечных дефектов на форму полосовой доменной структуры в магнитных пленочных материалах
§11 Постановка вариационной задачи для расчета пространственных двумерных магнитных структур
§12 Искажение полосовой доменной структуры под влиянием симметричного точечного дефекта дипольного типа
§13 Искажение полосовой доменной структуры под влиянием несимметричного точечного дефекта дипольного типа
Глава 2 Влияние формы и размеров магнитной неоднородности на искажение полосовой доменной структуры
§21 Искажение полосовой доменной структуры при наличии симметричной цилиндрической магнитной неоднородности
§22 Форма полосовой доменной структуры при наличии несимметричной двумерной магнитной неоднородности
§23 Полосовая доменная структура в магнитных пленках с наклонным цилиндрическим дефектом
§24 Влияние неоднородного магнитного поля дефекта на искажение системы полосовых доменов
Глава 3 Теория смешанной доменной структуры в магнитных пленочных материалах
§31 Смешанная доменная структура в пленках феррит гранатов
§32 Смешанная доменная структура, состоящая из полосового домена и симметричного цилиндрического домена эллиптической формы
§33 Смешанная доменная структура, состоящая из полосового домена и несимметричного цилиндрического домена эллиптической формы
§34 Смешанная доменная структура, состоящая из полосового домена и несимметричного наклонного цилиндрического домена эллиптической формы
Введение:
Исследование спинового упорядочения в средах с магнитным дипольным взаимодействием является актуальной задачей современной физики гиромагнитной электродинамики. Несмотря на то, что активное изучение магнитных спиновых систем происходит на протяжении почти ста лет, интерес к исследованиям различных особенностей подобных систем сохраняется и в настоящее время. Это обусловлено, во-первых, фундаментальными научными интересами, связанными с выяснением закономерностей возникновения различных спиновых коллективных стационарных и нестационарных структур и управлением этими структурами. Во-вторых, стимулируется важными современными прикладными задачами такими как, разработки надежных, компактных и емких носителей магнитной информации, создание миниатюрных датчиков магнитного поля, эффективных элементов радиофизических СВЧ устройств (фильтры, вентили, спиновые транзисторы, резонаторы, поглотители).Важной особенностью магнитных систем, определяющей многие закономерности ее поведения, является возникновение коллективного спинового упорядочения. Например, в ферромагнитных системах возможно возникновение доменного упорядочения разнообразного вида.Рассмотрим кратко историю изучения доменной структуры в ферромагнетиках. В 1907 было введено П. Вейсом [1] представление о ферромагнитных доменах. Физические предпосылки, обуславливающие разбиение ферромагнетика на области самопроизвольной намагниченности домены, впервые теоретически выяснили в 1930 Я.И.Френкель и Я.Г. Дорфман [2]. В 1931 году Н.С.Акулов и М.В. Дехтяр [3] (и одновременно Ф. Биттер в США) наблюдали полосы на поверхности кристалла, образующиеся у мест стыков поверхности доменов (полосы Акулова - Биттера). Строгую количественную теорию магнитных доменов построили Л.Д. Ландау и Е.М Лившиц [4] в 1935. В 1946-1949 г. Ч. Киттель сделал расчет магнитостатической энергии доменной структуры тонкой ферромагнитной пленки и разработал физическую теорию ферромагнитных доменов [5,6]. После этих работ последовало большое количество экспериментальных и теоретических работ (как у нас в стране, так и за рубежом) по изучению доменов различной конфигурации и в различных материалах, их статических и динамических свойств, Изучение магнитной доменной структуры до сих пор представляет собой актуальную задачу. Так как характер изменения магнитной доменной структуры оказывает существенное влияние на магнитные свойства материалов, которые широко используются в различных приборах и устройствах [7-13]. Последние годы характеризуются стремительным развитием физики магнитных микроструктур [14,15] и наноструктур [16,17].Следует отметить, что в значительной степени это развитие обусловлено совершенствованием высоких технологий, позволяющих создавать такие структуры [18,19].Развитие приборов и устройств, в которых используются магнитные пленки, в качестве магнитных носителей информации стимулировало экспериментальные и теоретические исследования доменных структур в различных материалах [20-24].На реализацию доменной структуры в равновесных состояниях, в реальных условиях, оказывают влияние наличие в ферромагнетике неоднородностей и дефектов [7,13] магнитного и немагнитного происхождения: нримеси, пустоты, дефекты атомной структуры, форма поверхности образца и т. д. Точный аналитический расчет доменной структуры при наличии таких дефектов представляет собой сложную проблему. В важном частном случае магнитных пленочных материалов при наличии сквозных доменов рассмотрение упрощается. Но даже в этой двумерной топологии не существовало строгих аналитических подходов для описания доменных структур с дефектами (например, полосовых доменов или решетки цилиндрических магнитных доменов (ЦМД)) [9-12, 25].В настоящее время лучшими материалами для генерирования ЦМД считаются редкоземельные ферриты-гранаты [10,12]. Успехи применения ЦМД в логических элементах самых разнообразных типов, а также использование в доменопередвигающихся схемах [10] непосредственно связаны с достижениями технологии получения совершенных монокристаллических эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов и качественных кристаллов для подложек [10-12]. Подробный вывод равновесной конфигурации изолированного ЦМД дал А. Тиль [26-28].Дальнейшая миниатюризация магнитных носителей требует исследования субмикронных мезоскопических магнитных структур, таких как сами доменные границы [29-31], структуры доменных границ, вертикальные, горизонтальные блоховские линии [32-37], солитоноподобные структуры в доменных границах [38,39]. Например, в работе [36] показано влияние структуры доменных стенок на статические параметры изолированного полосового домена в тонкой ферромагнитной пленке.Магнитная структура тонких пленок в ферромагнитном состоянии часто оказывается довольно сложной [7,13]. Пленка может разбиваться на ряд полосовых доменов с противоположной ориентацией магнитных доменов [25]. Границы доменов могут искривляться [37-40] вследствие структурных дефектов и т. п. В принципе, процесс исчезновения доменной структуры при приближении к температуре Кюри может рассматриваться как некоторый аналог плавления твердого тела. При помощи сканирующего электронного микроскопа впервые удалось наблюдать [41] особенности строения переходных магнитных структур и их трансформацию вблизи температуры магнитного фазового перехода в атомарно тонкой пленке железа на медной подложке. Авторы работы [41] визуализировали изменение формы отдельных доменов, используя SEMPA - сканирующий электронный микроскоп с поляризационным анализом. В [42] с помощью сканирующего электронного микроскопа проводились наблюдения магнитной структуры полосовых доменов в пленках FeTaN. Визуализация доменов и магнитных переходных структур с использованием SEMPA - сканирующего электронного микроскопа с поляризационным анализом - один из современных экспериментальных методов наблюдения и исследования магнитных структур [41-44].Теория доменных и субмикронных мезоскопических магнитных структур активно развивается. В разработке этой теории существует два подхода: аналитический и численный подход - моделирование различных двух и трехмерных структур с помощью численных методов. Существует много отечественных и зарубежных работ [45-54], в которых приводятся результаты численного моделирования различных доменных структур, Благодаря численному моделированию различных магнитных структур был достигнут определенный прогресс. Разработаны различные методы исследования двумерных и трехмерных статических и динамических структур доменных границ [33, 39, 50, 53]. Однако численными методами даже с использованием самых современных компьютеров возможно моделирование ограниченного числа сеточных пространственных ячеек (дискретных сеточных узлов) и для нестационарных задач на ограниченном интервале времени [55,56]. Так как дипольное взаимодействие между магнитными моментами носит дальнодействующий характер, расчет равновесных коллективных спиновых структур требует учета мгновенной ориентации всех спинов рассматриваемого образца. Поэтому численное моделирование протяженных макроскопических пленочных материалов в отсутствии какой-либо симметрии в распределение намагниченности (например, при наличии сильной неоднородности) становится сложной проблемой для прямого численного расчета магнитной структуры [54, 57].Таким образом, является важным развитие аналитических или приближенных асимптотических методов расчета равновесных спиновых структур. Теоретические исследования в данном направлении в настоящее время активно развиваются. В работе [58] дано прямое вычисление параметров взаимодействия цилиндрического магнитного домена с магнитной микронеоднородностью субмикронных размеров, которая характеризуется магнитным дипольным моментом. Получено уравнение равновесия ЦМД в поле дефекта, найдено влияние неоднородности на диаметр и границы области его устойчивости. В [59] вычисляется магнитостатическая энергия и доменная структура в длинной ферромагнитной пластине конечной ширины с параллельной анизотропией, когда векторы намагниченности в доменах лежат в плоскости пластины.Теория доменов продолжает интенсивно развиваться, и появляются новые публикации по исследованиям различных магнитных структур, например, статические и динамические исследования спиральных доменных структур [29,60,61], аксиально-симметричные доменные структуры в пленках ферритов-гранатов [62,63], цилиндрические магнитные домены [58, 64] и полосовые домены [30, 42, 65, 66].Недавно появились эксперименты, в которых найден новый, более дешевый и простой механизм генерации блоховских линий в доменной границе полосового домена под воздействием сфокусированного лазерного импульса [79-81]. В этих экспериментах в результате введения сфокусированного лазерного импульса размерами порядка 4мкм, удалось воздействовать на локальную область доменной границы и зарегистрировать после воздействия вертикальные блоховские линии. Найденный способ открывает новые возможности управления мезоскопическими магнитными структурами.Однако причины и механизмы локального воздействия лазерного импульса на доменную структуру полосового домена были не вполне ясными. Был предложен следующий механизм для объяснения причин искривления полосовой доменной структуры вследствие лазерного воздействия. В результате такого воздействия наблюдается локальный нагрев цилиндрической области пленки и распространение в пленке тепловой волны. Если температура среды превышает температуру Кюри, то в этой области происходит фазовый переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Возникает неоднородное магнитостатическое поле рассеяния. Далее магнитное поле вызывает неупорядоченное движение различных участков доменных границ и приводит к искажению исходной полосовой доменной структуры. Это искажение носит нестационарный характер. Таким образом, происходит искривление формы доменных границ, достижение ими максимальных значений и далее, спустя некоторое время, восстановление первоначальной магнитной упорядоченной структуры.Одной из целей этой диссертационной работы является теоретическое исследование механизмов воздействия локального лазерного импульса на доменную границу и создание количественной теории модификации структуры полосового домена. Данная диссертация посвящена изучению влияний локальных неоднородностей или дефектов на полосовую доменную структуру в магнитных пленках, а также расчету равновесных спиновых структур и доменных конфигураций. Исследования нелинейных процессов и эффектов в магнитных или спиновых упорядоченных средах актуальное направление современной электродинамики гиротропных или киральных сплошных сред [82,83]. Актуальность изучения магнитного упорядочения обусловлена также широким применением магнитных материалов в различных приборах, устройствах радиоэлектроники и компьютерной техники, где магнитная память является основным средством хранения информации. В последние годы в области магнитной записи произошли крупные достижения, позволившие суш,ественным образом увеличить емкость магнитных носителей информации (от десятков мегабайт до сотен гигабайт) [84-90]. Такие технологические успехи были бы невозможны в отсутствие соответствующих теоретических и экспериментальных достижений в физике коллективной спиновой самоорганизации в магнитных пленках. В настояш;ее время в микроэлектронике осваиваются технологии, базируюш,иеся на субмикронных и наномагнитных структурах [16,18,69,70].Это стимулирует фундаментальные научные исследования в области построения теорий и моделей явлений, происходящих на данном микроскопическом уровне [15,17,21,31,34,50,53,91]. Открытие новых фундаментальных эффектов в области физики магнитных явлений гигантского магнитосопротивления в обменносвязанных тонких сэндвичевых структурах [92], спин-поляризованного тунеллирования в ферромагнитных микроконтактах [93], эффектов бистабильности и гигантского магнитоимпеданса в тонких аморфных магнитномягких ферромагнитных проводниках [94] образуют базу для разработки новых типов высокочувствительных сенсоров и датчиков, создания новых принципов записи и хранения информации [95,112], применения новых технологий в микроэлектронике, компьютерной технике и средствах коммуникации [96,112]. Современные методы электронной литографии позволяют получать плоские ферромагнитные наноэлементы с контролируемыми магнитными свойствами, а также периодические двумерные решетки мелких ферромагнитных частиц субмикронного размера [97]. Зарождение и управление магнитных структур осуществляется посредством внешнего электромагнитного воздействия [79,80]. Понимание физической природы этих процессов может позволить управлять зарождением и динамикой магнитных структур [79-81], что, в свою очередь, является важным для освоения технологий [18], базирующиеся на субмикронных и наномагнитных структурах.В данной диссертации проведены теоретические исследования различных равновесных структур в магнитных пленочных материалах при наличии микроскопических магнитных неоднородностей различной природы.В главе 1 изучено влияние точечных дефектов на форму полосовой доменной структуры в магнитных пленочных материалах. Было получено аналитическое выражение для форм доменных границ полосового магнитного домена искривленного под влиянием точечного дефекта дипольного типа.В главе 2 исследована форма полосовой доменной структуры при наличии симметричной и несимметричной двумерной магнитной неоднородности и показаны различные формы искажений полосового домена от симметричных и несимметричных двумерных магнитных цилиндрических неоднородностей. А также построена теория полосовой доменной структуры в магнитных пленках с наклонным цилиндрическим дефектом.В главе 3 экспериментально и теоретически показана возможность существования квазиравновесной смешанной доменной структуры, представляющей собой систему полосовых доменов и ЦМД, причем эта структура устойчива и может существовать бесконечно долго. Построенная аналитическая теория данной смешанной структуры хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Получены аналитические выражения для форм смешанных доменных структур, состоящих из полосового домена и цилиндрического, эллиптического домена в различных топологических конфигурациях.Данные результаты могут быть полезны для понимания процессов происходящих с доменной структурой в магнитных пленках под влиянием лазерного воздействия, а также для расчета влияния неоднородностеи на доменную структуру. Результаты могут быть использованы при численном моделировании магнитных доменных структур для тестирования правильности и эффективности соответствующих численных алгоритмов и кодов.