авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Нелинейные возбуждения в магнетиках с неоднородным основным состоянием

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Расковалов Антон Александрович


НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ В МАГНЕТИКАХ

С НЕОДНОРОДНЫМ ОСНОВНЫМ СОСТОЯНИЕМ

01.04.11 – физика магнитных явлений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов УрО РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Киселев Владимир Валерьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, Танкеев Анатолий Петрович

доктор физико-математических наук,

профессор,

Памятных Евгений Алексеевич

Ведущая организация: Институт электрофизики УрО РАН

Защита состоится «17» февраля 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.003.01 при Институте физики металлов УрО РАН, расположенном по адресу: 620990, г. Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН.

Автореферат разослан «16» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор физ.-мат. наук Н.Н. Лошкарева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К настоящему времени наиболее полно исследованы солитоны на фоне однородного состояния конденсированных сред, в то время как аналитическое описание солитонов на неоднородном фоне до сих пор представляет значительные трудности. Вместе с тем, основное состояние конденсированных сред часто бывает неоднородным. В магнитных материалах, как правило, наблюдают всевозможные периодические структуры, например, полосовые доменные структуры ферро- и антиферромагнетиков, а также геликоидальные магнитные структуры, которые теоретически описываются одномерной решеткой солитонов (кинков). Для некоторых кристаллов специальной симметрии (кристаллов без центра инверсии) формирование спиральных структур обусловлено взаимодействием Дзялошинского – Мории. Это взаимодействие вносит значительный вклад в магнитные свойства молекулярных хиральных магнетиков, интенсивно исследуемых в последние годы [1,2]. Практический интерес к таким магнитным материалам обусловлен тем, что они прозрачны в видимой части спектра, что позволяет использовать их при создании магнитооптических приборов и устройств. Кроме того, изменяя химический состав соединений, можно в широких пределах менять спин-спиновые взаимодействия и энергию магнитной анизотропии. Это позволяет создавать условия, подходящие для формирования солитонов в геликоидальных структурах.

Нелинейные коллективные возбуждения решетки кинков определяют уникальные физические свойства магнетиков с геликоидальной структурой. Описание локализованных возбуждений в решетке кинков представляет малоисследованную и актуальную задачу физики магнитных явлений. К этому же кругу задач примыкают проблемы исследования взаимодействия нелинейных волн с солитонами. Теоретическое описание нелинейных возбуждений на неоднородном фоне, а также связанных с ними явлений и процессов требует специальных методов интегрирования соответствующих нелинейных моделей.



Предметом данной диссертации является изучение солитонов на “пьедестале” нелинейной спиновой волны большой амплитуды, а также нелинейных коллективных возбуждений в геликоидальной магнитной структуре.

Диссертационная работа имеет следующие цели:

- исследовать новые типы солитонов при внешней накачке волной намагниченности произвольной амплитуды в квазиодномерном ферромагнетике с анизотропией типа “легкая ось”;

- изучить нелинейные коллективные возбуждения в геликоидальных структурах магнетиков без центра инверсии;

- выявить возможности управления параметрами найденных солитонов.

Для достижения поставленных целей в работе сформулирована задача:

- развить методы аналитического описания нелинейных возбуждений в средах с периодическими структурами и волнами.

Для решения этой задачи в диссертации использован метод “одевания” (модификация метода обратной задачи рассеяния). Метод “одевания” позволяет свести проблему интегрирования исходных сильно нелинейных вещественных уравнений к решению задачи Римана теории функций комплексной переменной. При наличии периодического фона задачу Римана приходится решать не в комплексной плоскости, а на римановой поверхности, которая связана с волной накачки или с решеткой кинков геликоидальной структуры.

Результаты работы, определяющие ее научную новизну

1) На основе развитого в диссертации метода обратной задачи рассеяния в рамках универсальной модели sine-Gordon предложена процедура аналитического описания нелинейных коллективных возбуждений в периодических магнитных структурах.

2) С ее помощью получено аналитическое описание мультисолитонов и нелинейных спиновых волн в геликоидальной структуре.

3) Найдены и детально проанализированы новые точные решения модели Ландау – Лифшица, описывающие солитоны на фоне нелинейной спиновой волны в ферромагнетике с анизотропией типа “легкая ось”.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1) Процедура интегрирования универсальных моделей магнетизма (уравнений Ландау – Лифшица, sine-Gordon) для сред с неоднородным основным состоянием.

2) Решения солитонного типа на “пьедестале” нелинейной спиновой волны, описываемые моделью Ландау – Лифшица для ферромагнетика с анизотропией типа “легкая ось”.

3) Аналитическое описание нелинейных коллективных возбуждений в геликоидальной магнитной структуре в рамках модели sine-Gordon.

4) Спектр энергии коллективных возбуждений в геликоидальной структуре, включающий солитоны и спиновые волны.

Научная и практическая ценность. Изученные в работе новые физические объекты: солитоны на фоне нелинейной волны намагниченности, мультисолитоны и диспергирующие нелинейные волны в геликоидальной структуре, интересны как с точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения применений. При решении широкого класса задач теории магнетизма и физики конденсированного состояния могут быть весьма эффективны развитые в диссертационной работе методы описания коллективных возбуждений в средах с неоднородным основным состоянием. Это не только углубляет понимание природы физических явлений, но и открывает перспективы дальнейшего теоретического и экспериментального изучения многочисленных нелинейных свойств таких материалов и протекающих в них процессов. Результаты работы можно использовать для планирования экспериментов по обнаружению новых солитонов в геликоидальных магнетиках. При создании приборов и устройств микроэлектроники могут представлять интерес найденные в работе условия, при которых с помощью волны накачки можно управлять скоростью движения солитонов.

Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается использованием современных проверенных математических методов расчета, отсутствием предположений при их использовании, корреляцией полученных решений с известными ранее результатами при соответствующих предельных переходах.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на XXI Международной конференции “Новое в магнетизме и магнитных материалах” (Москва, 2009 г.); Международной конференции “Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах” (Махачкала, Республика Дагестан, 2009 г.); IV конференции молодых ученых “Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика” (Саратов, 2009 г.); XXXIII Международной зимней школе физиков-теоретиков “Коуровка” (Новоуральск, 2010 г.); IV Евро-Азиатском симпозиуме “Trends in MAGnetism” Nanospintronics “EASTMAG 2010” (Екатеринбург, 2010 г.); Научном совете РАН по физике конденсированных сред, секция “Магнетизм” (Москва, 2011 г.).

Публикации. Имеется 4 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК, и 5 тезисов докладов на Всероссийских и Международных конференциях.

Личный вклад автора. В совместных публикациях по теме диссертационной работы личный вклад автора заключался в проведении большинства аналитических расчетов, в обсуждении и интерпретации полученных результатов и написании статей.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка литературы и двух приложений. Полный объем работы составляет 160 страниц, включая 24 рисунка и 91 наименование цитируемой литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задача и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения. Введение включает четыре раздела, касающихся используемых в работе моделей и метода их решения.

В первой главе приведены результаты исследования взаимодействия доменной стенки с волной накачки произвольной амплитуды в квазиодномерном ферромагнетике с анизотропией типа “легкая ось”.

Динамика намагниченности в легкоосном ферромагнетике описывается уравнениями Ландау – Лифшица. В безразмерных переменных они имеют вид:

(1)

где – постоянная магнитной анизотропии, . Согласно первому уравнению (1), проекция полного магнитного момента системы на ось анизотропии должна оставаться неизменной:

, (2)

где – размер образца. При наличии внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси анизотропии, закон сохранения (2) также справедлив. Перемещение доменной стенки неизбежно изменяет величину . Поэтому без учета магнитостатики и процессов релаксации, нарушающих закон сохранения (2), движение доменной стенки в легкоосном ферромагнетике невозможно [3,4].

В то же время, согласно [5], тот же самый закон сохранения (2) приводит к неожиданному выводу. Когда доменная стенка не закреплена дефектами и взаимодействует с бегущей нелинейной спиновой волной, она начинает двигаться навстречу волне. Данный сценарий движения стенки реализуется даже в пренебрежении магнитостатическими взаимодействиями и процессами релаксации. Полученное в первой главе аналитическое решение не противоречит качественным выводам [3,4] и согласуется с результатами работы [6] по возбуждению и управлению движением малоамплитудных солитонов в поле циркулярно – поляризованной волны.

В первой главе обсуждается задача о вынужденном движении доменной стенки в поле бегущей нелинейной спиновой волны, которая задается асимптотиками:

при . (3)

Волна (3) сама является точным решением уравнений (1). Угол характеризует амплитуду волны, , – волновое число, – частота прецессии. С физической точки зрения, волна (3) генерируется на границе ферромагнетика внешним источником и взаимодействует с доменной границей, которая изначально имеется в образце. Длина образца должна быть достаточно большой для того, чтобы можно было пренебречь описанием механизма возбуждения волны на границе образца. Решение такой задачи в работе [7] содержит неточности.

В данной главе развита общая процедура построения решений уравнения Ландау – Лифшица, описывающих взаимодействие солитонов с нелинейной волной намагниченности в квазиодномерном ферромагнетике с анизотропией типа “легкая ось”. С ее помощью исправлено решение работы [7].

В разделе 1.2 изложена процедура “одевания” (модификация метода обратной задачи рассеяния), в ходе которой поиск солитонных решений модели Ландау – Лифшица сводится к решению задачи теории функций комплексной переменной на римановой поверхности, определяемой волной. Сложность “одевания” объясняется как нелинейностью фона (волны намагниченности), так и геометрической нелинейностью – постоянством длины вектора намагниченности.





Процедура “одевания” позволяет получить аналитическое решение, описывающее взаимодействие доменной стенки с волной намагниченности (3) в легкоосном ферромагнетике. Решение имеет вид:

где

Анализу полученного решения посвящен раздел 1.3. В размерных переменных скорость доменной стенки

, (4)

а ее ширина

.

Здесь – гиромагнитное отношение, – номинальная намагниченность, – константа обменного взаимодействия, – константа анизотропии.

Можно показать, что тип доменной стенки в поле волны определяется ориентацией намагниченности в центре стенки и задается параметром :

Плоскость, в которой происходит поворот намагниченности внутри доменной стенки, образует угол с осью Ох.

Под действием волны накачки топология стенки изменяется в зависимости от соотношения плотности импульса падающей на нее волны и параметра анизотропии . Интересно, что даже при наличии волны существуют стенки с преимущественно “блоховским” типом распределения намагниченности. Для таких стенок учет магнитостатического взаимодействия не столь существенен.

Вторая глава тесно связана с первой. В ней по предложенной в главе 1 схеме построено более сложное аналитическое решение уравнений Ландау – Лифшица (1), описывающее взаимодействие нелинейной волны намагниченности и бризера. Постановка рассматриваемой задачи отличается от постановки предыдущей только изменением краевых условий (3). Теперь при :

.

Бризер имеет собственную частоту пульсаций и, в отличие от доменной стенки, может двигаться по образцу даже в отсутствие спиновой волны. Это обстоятельство сказывается на форме записи солитона и осложняет его анализ, которому посвящены три раздела. В разделе 2.2 проанализированы сценарии “разрушения” бризера под действием волны. Выявлены особенности колебательных режимов бризера вблизи границ области его существования.

В разделе 2.3 полученное решение для солитона на фоне волны сравнивается с известными ранее результатами для солитонов на однородном фоне [8].

В разделе 2.4 рассмотрен частный случай, когда бризер представляет уединенный домен – зародыш перемагничивания материала, движущийся под действием волны накачки. В центре уединенного домена распределение намагниченности имеет вид:

.

При намагниченность совершает неоднородную круговую прецессию вокруг оси Оx3, связанную с распространением волны накачки . Вследствие распространения спиновой волны, в пределах доменных стенок намагниченность совершает неоднородную эллиптическую прецессию с нутационными колебаниями оси прецессии. Размер домена l определяется условием . Ширина доменных стенок – . Внутри каждой стенки проекция резко изменяется от одного из своих квазиравновесных значений до другого . Центры тяжести стенок колеблются около средних положений (рис. 1).

 Вынужденное движение уединенного-36

Рис. 1. Вынужденное движение уединенного домена в поле спиновой волны произвольной амплитуды. – комплексный параметр .

В отсутствие волны уединенный домен неподвижен. Важно, что в результате взаимодействия с волной домен начинает двигаться как целое навстречу волне, причем с той же скоростью (4), что и отдельная доменная стенка. Последнее свидетельствует о том, что скорость вынужденного движения доменных стенок в поле волны не зависит от их хиральности.

После прохождения через уединенный домен волна приобретает специфический фазовый сдвиг. Это можно использовать для обнаружения и диагностики зародышей перемагничивания в легкоосном ферромагнетике.

Показано, что скоростью движения бризера можно управлять, меняя волновое число и амплитуду волны накачки.

В разделе 2.5 найдена бесконечная серия интегралов движения (первые из них – импульс и энергия) для солитонов в поле волны намагниченности. Показано, что, хотя вклады в интегралы движения от разных солитонов разделяются, они существенно зависят от волнового числа и амплитуды спиновой волны. Это обстоятельство следует учитывать при описании кинетических свойств солитонных возбуждений в условиях внешней накачки.

В третьей главе приведены результаты анализа нелинейных коллективных возбуждений в геликоидальной магнитной структуре в рамках модели sine-Gordon. Геликоидальная (плоскопараллельная доменная) структура теоретически описывается в терминах одномерной решетки кинков (доменных стенок). Решетка кинков сама по себе является сильно нелинейным состоянием магнитоупорядоченной среды. Аналитическое описание коллективных, в том числе солитоноподобных, возбуждений на фоне такой структуры — трудная задача. Ее конструктивное решение возможно в рамках упрощенных моделей, которые корректно учитывают основные взаимодействия и, в то же время, допускают точные решения. При физически оправданных приближениях, уравнения Ландау – Лифшица для ферро- и антиферромагнетиков с преобладающей легкоплоскостной анизотропией и остаточной анизотропией в базисной плоскости часто сводятся к гиперболическому (волновому) уравнению sine-Gordon [9,10]:

(5)

В разделе 3.1 рассмотрена квазиодномерная (вдоль оси Oz) спиральная структура ферромагнетика без центра инверсии с анизотропией типа “легкая плоскость” (плоскость xOy) в постоянном внешнем магнитном поле (). В этом случае угол Ф характеризует распределение намагниченности в плоскости, перпендикулярной оси спирали. Соответствующая плотность энергии в безразмерных переменных описывается выражением:

(6)



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.