ДИНАМИЧЕСКАЯ САМООРГАНИЗАЦИЯ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И АНГЕРНОЕ СОСТОЯНИЕ ПЛЁНОК ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ
|
Актуальность темы. Одной из актуальных проблем современной науки, является исследование процессов самоорганизации в открытых, неравновесных термодинамических системах, состоящих из хаотически движущихся и взаимодействующих элементов. Особый интерес представляют образующиеся в результате самоорганизации пространственно упорядоченные структуры в виде концентрических колец или спиралей в так называемых активных (автоволновых) средах, например, в химических растворах. Указанные процессы и исследуются в синергетике [1] В [2,3] при изучении доменной структуры плёнок ферритов-гранатов в пространственно однородных переменных магнитных полях низкой частоты (102 104 Гц) было обнаружено, что в ограниченной области амплитуд и частот поля в плёнках может возникнуть особое возбуждённое состояние (названное впоследствии [4] ангерным состоянием АС), характерными чертами которого являются: самоорганизация коллектива доменов и образование из хаоса упорядоченных, устойчивых динамических доменных структур (ДДС) в виде колец, спиралей и самогенерация квазипериодических процессов переходов хаос<-порядок, появление<-исчезновение упорядоченных ДДС. Эти процессы длятся так долго, как долго действует поле накачки. (Ранее [5,6] динамические структуры в виде колец и многорукавных вихрей наблюдались при импульсном перемагничивании локального участка плёнок ферритов-гранатов). В последнее время возрос интерес к явлению динамической самоорганизации магнитных доменов, к теоретическому и экспериментальному изучению свойств кольцевых и спиральных динамических доменов (см., например, [7 12]).
Впервые систематическое исследование упорядоченных ДДС и ангерного состояния в плёнках ферритов-гранатов проведено в [13]. Установлен целый ряд новых закономерностей в поведении ДДС и сформулировано необходимое условие реализации АС. Однако, общая картина поведения динамического массива магнитных доменов, существующих в плёнках при различных частотах и амплитудах переменного магнитного поля, не рассматривалась. Остались неизученными процессы формирования, эволюции и разрушения упорядоченных динамических доменных структур типа «ведущий центр» (ВЦ) и спиральных доменов (СД). Совершенно недостаточно исследовано влияние поля смещения на указанные ДДС.
Наконец надо отметить, что плёнки ферритов-гранатов являются важным магнитным материалом для техники [14]. Исследование АС и упорядоченных ДДС в этих плёнках не только способствует развитию физики магнитных доменов, но и создаёт основу для новых идей для расширения области практического применения многодоменных плёночных магнитных сред.
Цель работы. Основной целью диссертационной работы являлось исследование закономерностей в возникновении ангерных состояний и формировании различных ДДС плёнок ферритов гранатов (далее в автореферате плёнки) с перпендикулярной анизотропией в пространственно однородных, низкочастотных (101 105 Гц) гармонических магнитных полях.
Для достижения поставленной цели решались следующие конкретные задачи:
1. Построение и изучение полных динамических доменных фазовых диаграмм (ДФД) на плоскости частота-амплитуда переменного поля. Установление общих закономерностей в строении ДФД для различных плёночных образцов. Определение конфигурационных и динамических параметров выделенных доменных фаз. Рассмотрение фазовых переходов между ними.
2. С использованием метода микровидеосъёмки с последующей компьютерной обработкой массива экспериментальных результатов, изучение эволюции и взаимодействия между собой динамических спиральных доменов (СД) от момента их возникновения и до разрушения. Аналогичное исследование структур типа "ведущий центр" (ВЦ). Получение новых данных о механизмах формирования тех и других динамических структур.
3. Подробные исследования влияния постоянного поля смещения на реализацию ангерных состояний в плёнках. Установление закономерной связи между характеристиками упорядоченных ДДС (типа СД й ВЦ) и управляющими параметрами: частотой, амплитудой переменного поля и напряжённостью поля смещения.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах, выносимых на защиту:
1. Впервые в широкой области частот 1 и амплитуд Но переменного пространственно однородного, непрерывно действующего магнитного поля построены и рассмотрены полные динамические доменные фазовые диаграммы плёнок. В различных областях диаграмм наблюдаются совершенно разные картины доменов. На границах этих областей реализуются как постепенные, так и скачкообразные фазовые переходы.
2. В ограниченной области частот переменного поля на высоко-анизотропных плёнках обнаружено состояние динамической однодоменности. Удалось непосредственно наблюдать, как в этом состоянии образцы перестают откликаться на переменное поле, оставаясь намагниченными в одном направлении.
3. Впервые с использованием микровидеосъёмки продемонстрирован характер движения отдельных спиралей в АС плёнки. Получены данные об эволюции индивидуальных СД за время жизни каждого из них (от момента появления до разрушения). Установлены некоторые особенности во взаимодействии спиральных доменов. Обнаружен новый механизм выхода системы из АС.
4. Обнаружено явление индуцированного постоянным магнитным полем смещения ангерного состояния многодоменной магнитной среды АС(и). Показано, что свойства спиралей в этом состоянии существенно отличаются от свойств ранее изученных СД. Введены и экспериментально оценены новые динамические параметры: время формирования и время разрушения спиралей.
5. Впервые построены трёхмерные области существования АС(и). Определены конфигурационные и динамические параметры СД во всех областях АС(и) в пространстве трёх управляющих параметров: частота переменного поля, его амплитуда и напряжённость постоянного поля смещения.
6. Впервые для характеристики благоприятных условий формирования динамических СД введён и разумно оправдан количественный параметр, связанный со скоростью движения доменных стенок и «рыхлостью» динамического массива доменов.
Практическая значимость работы заключается в существенном расширении представлений о природе, динамическом поведении, свойствах и эволюции различных ДДС в плёнках при воздействии на них переменных и постоянных подмагничивающих магнитных полей. Обнаружение новых свойств динамических доменов будет способствовать более глубокому пониманию процессов намагничивания, природы гистерезисных свойств и потерь энергии магнитных материалов в низкочастотных переменных магнитных полях. Определение вида доменных структур на фазовой диаграмме даёт возможность правильной интерпретации процессов перемагничивания в динамических условиях.
Если учесть, что плёнки являются важным и перспективным магнитным материалом [14], то новые результаты о динамических свойствах доменных структур, могут быть использованы при проектировании, создании и совершенствовании различных магнитооптических, оптоэлектронных и логических доменных устройств в микроэлектронике, прикладной магнитооптике и сенсорной технике. Особенно интересным с точки зрения практики может оказаться тот факт, что при определённых условиях накачки может реализовываться состояние динамической однодоменности.
Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на: Первой объединённой конференции по магнитоэлектронике (Москва, 1995); XV Всероссийской и XVI Международной школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1996, Москва, 1998, Москва, 2000), 3¬м Международном сипозиуме по магнитным материалам 18РММ-95 (Сеул, 1995); 6-й Европейской конференции по магнитным материалам ЕММА-95 (Вена, 1995); Симпозиуме по магнитооптической записи МОИ13-96 (Нидерланды, 1996); Международной конференции по магнетизму 1СМ-97 (Австралия, 1997); Региональной 1-й и 2-й школах-семинарах по физике конденсированного состояния (Екатеринбург, 1997, 1998); Второй объединённой конференции по магнито-электронике (международная) ОКМЭ-2000 (Екатеринбург, 2000), Евро-Азиатском Симпозиуме "Прогресс в магнетизме” ЕА5ТМАС-2001 (Екатеринбург 2001).
Публикации, Основные результаты диссертации опубликованы в 25 печатных работах и 3 электронных сообщениях.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы. Она изложена на 174 страницах, включая 62 рисунка. Список цитированной литературы содержит 90 наименований.
Впервые систематическое исследование упорядоченных ДДС и ангерного состояния в плёнках ферритов-гранатов проведено в [13]. Установлен целый ряд новых закономерностей в поведении ДДС и сформулировано необходимое условие реализации АС. Однако, общая картина поведения динамического массива магнитных доменов, существующих в плёнках при различных частотах и амплитудах переменного магнитного поля, не рассматривалась. Остались неизученными процессы формирования, эволюции и разрушения упорядоченных динамических доменных структур типа «ведущий центр» (ВЦ) и спиральных доменов (СД). Совершенно недостаточно исследовано влияние поля смещения на указанные ДДС.
Наконец надо отметить, что плёнки ферритов-гранатов являются важным магнитным материалом для техники [14]. Исследование АС и упорядоченных ДДС в этих плёнках не только способствует развитию физики магнитных доменов, но и создаёт основу для новых идей для расширения области практического применения многодоменных плёночных магнитных сред.
Цель работы. Основной целью диссертационной работы являлось исследование закономерностей в возникновении ангерных состояний и формировании различных ДДС плёнок ферритов гранатов (далее в автореферате плёнки) с перпендикулярной анизотропией в пространственно однородных, низкочастотных (101 105 Гц) гармонических магнитных полях.
Для достижения поставленной цели решались следующие конкретные задачи:
1. Построение и изучение полных динамических доменных фазовых диаграмм (ДФД) на плоскости частота-амплитуда переменного поля. Установление общих закономерностей в строении ДФД для различных плёночных образцов. Определение конфигурационных и динамических параметров выделенных доменных фаз. Рассмотрение фазовых переходов между ними.
2. С использованием метода микровидеосъёмки с последующей компьютерной обработкой массива экспериментальных результатов, изучение эволюции и взаимодействия между собой динамических спиральных доменов (СД) от момента их возникновения и до разрушения. Аналогичное исследование структур типа "ведущий центр" (ВЦ). Получение новых данных о механизмах формирования тех и других динамических структур.
3. Подробные исследования влияния постоянного поля смещения на реализацию ангерных состояний в плёнках. Установление закономерной связи между характеристиками упорядоченных ДДС (типа СД й ВЦ) и управляющими параметрами: частотой, амплитудой переменного поля и напряжённостью поля смещения.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах, выносимых на защиту:
1. Впервые в широкой области частот 1 и амплитуд Но переменного пространственно однородного, непрерывно действующего магнитного поля построены и рассмотрены полные динамические доменные фазовые диаграммы плёнок. В различных областях диаграмм наблюдаются совершенно разные картины доменов. На границах этих областей реализуются как постепенные, так и скачкообразные фазовые переходы.
2. В ограниченной области частот переменного поля на высоко-анизотропных плёнках обнаружено состояние динамической однодоменности. Удалось непосредственно наблюдать, как в этом состоянии образцы перестают откликаться на переменное поле, оставаясь намагниченными в одном направлении.
3. Впервые с использованием микровидеосъёмки продемонстрирован характер движения отдельных спиралей в АС плёнки. Получены данные об эволюции индивидуальных СД за время жизни каждого из них (от момента появления до разрушения). Установлены некоторые особенности во взаимодействии спиральных доменов. Обнаружен новый механизм выхода системы из АС.
4. Обнаружено явление индуцированного постоянным магнитным полем смещения ангерного состояния многодоменной магнитной среды АС(и). Показано, что свойства спиралей в этом состоянии существенно отличаются от свойств ранее изученных СД. Введены и экспериментально оценены новые динамические параметры: время формирования и время разрушения спиралей.
5. Впервые построены трёхмерные области существования АС(и). Определены конфигурационные и динамические параметры СД во всех областях АС(и) в пространстве трёх управляющих параметров: частота переменного поля, его амплитуда и напряжённость постоянного поля смещения.
6. Впервые для характеристики благоприятных условий формирования динамических СД введён и разумно оправдан количественный параметр, связанный со скоростью движения доменных стенок и «рыхлостью» динамического массива доменов.
Практическая значимость работы заключается в существенном расширении представлений о природе, динамическом поведении, свойствах и эволюции различных ДДС в плёнках при воздействии на них переменных и постоянных подмагничивающих магнитных полей. Обнаружение новых свойств динамических доменов будет способствовать более глубокому пониманию процессов намагничивания, природы гистерезисных свойств и потерь энергии магнитных материалов в низкочастотных переменных магнитных полях. Определение вида доменных структур на фазовой диаграмме даёт возможность правильной интерпретации процессов перемагничивания в динамических условиях.
Если учесть, что плёнки являются важным и перспективным магнитным материалом [14], то новые результаты о динамических свойствах доменных структур, могут быть использованы при проектировании, создании и совершенствовании различных магнитооптических, оптоэлектронных и логических доменных устройств в микроэлектронике, прикладной магнитооптике и сенсорной технике. Особенно интересным с точки зрения практики может оказаться тот факт, что при определённых условиях накачки может реализовываться состояние динамической однодоменности.
Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на: Первой объединённой конференции по магнитоэлектронике (Москва, 1995); XV Всероссийской и XVI Международной школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1996, Москва, 1998, Москва, 2000), 3¬м Международном сипозиуме по магнитным материалам 18РММ-95 (Сеул, 1995); 6-й Европейской конференции по магнитным материалам ЕММА-95 (Вена, 1995); Симпозиуме по магнитооптической записи МОИ13-96 (Нидерланды, 1996); Международной конференции по магнетизму 1СМ-97 (Австралия, 1997); Региональной 1-й и 2-й школах-семинарах по физике конденсированного состояния (Екатеринбург, 1997, 1998); Второй объединённой конференции по магнито-электронике (международная) ОКМЭ-2000 (Екатеринбург, 2000), Евро-Азиатском Симпозиуме "Прогресс в магнетизме” ЕА5ТМАС-2001 (Екатеринбург 2001).
Публикации, Основные результаты диссертации опубликованы в 25 печатных работах и 3 электронных сообщениях.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы. Она изложена на 174 страницах, включая 62 рисунка. Список цитированной литературы содержит 90 наименований.