МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНЫ

МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНЫ

       

волны, возникающие в магнитоупорядоченных кристаллах — ферромагнетиках и аптиферромагнетиках — в результате магнитоупругого вз-ствия. Упругие колебания ионов в крист. решётке относительно положения равновесия в магнитоупорядоченных кристаллах сопровождаются колебаниями спинов, а следовательно, и магнитных моментов; в свою очередь, колебания спинов, распространяясь по кристаллу в виде спиновых юли, вызывают смещение ионов. Поэтому в М. в. изменение намагниченности связано с изменением деформации и механич. напряжения. Магнитоупругое вз-ствие наиболее сильно проявляется в той области частот, где длина упругой волны оказывается величиной, близкой к длине спиновой волны. Дисперсионные соотношения, характеризующие зависимость частоты волны w от величины волн. вектора k=2p/l, в простейшем случае имеют вид: для спиновой волны wсп=g(H+ak2сп), а для продольных и поперечных упругих волн wуп=сlkуп и wуп =ctkуп, где g=e/mc0 — магнитомеханическое отношение для эл-на, е — его заряд, m — масса, с0 — скорость света в вакууме, Н — напряжённость пост. магн. поля, a — постоянная, связанная с обменной постоянной и с величиной угла между направлениями H и k, cl и сt — скорость распространения продольной и поперечной упругих волн (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость частоты спиновой волны 1 и упругих волн поперечной 2 и продольной 3 от волнового вектора.

Рис. 2. Дисперсионные кривые спиновой волны и поперечной упругой волны в области вз-ствия.

Для волн, у к-рых значения w и k лежат далеко от области пересечения дисперсионных кривых, вз-ствие пренебрежимо мало, и спиновая и упругие волны распространяются независимо друг от друга. Если же частоты спиновых и звук. волн при заданном k близки друг другу, то магнитоупругое вз-ствие приводит к тому, что в области частот wзв »wсп возникает связанная М. в. В области пересечения дисперсионных кривых обычно наблюдаются сильное поглощение и дисперсия звука, что обусловлено переходом энергии звук. волны в энергию М. в., а затем в энергию спиновой волны.

Условие равенства частот упругой и спиновой волн имеет вид ck0=g(H++ak20), где k0 — значение волн. вектора, соответствующее частоте w0, при к-рой происходит пересечение дисперсионных кривых (рис. 2). При kk0 кривая 1 соответствует спиновой волне, а кривая 2— упругой. Б области пересечения кривых, т. е. при w»w0 и k»k0, существуют две связанные М. в. Расщепление дисперсионных кривых из-за магнитоупругой связи (величина Dw на рис. 2) обычно мало, т. е. Dw<-w0.

Вз-ствие спиновой волны возможно как с продольной, так и с поперечными упругими волнами, поэтому на дисперсионных кривых возможно существование неск. областей возникновения М. в. Вз-ствие спиновых и упругих волн происходит на высоких ультразвук. и гиперзвук. частотах, поскольку область существования спиновых волн ограничена снизу частотами =108 Гц. Верх. граница для М. в. также определяется возможностью получения спиновых волн и составляет 5•1010 Гц.

М. в. могут использоваться для преобразования звук. волны в спиновую и обратно. Наилучшим материалом для осуществления вз-ствия упругих и спиновых волн явл. ферриты, в частности монокристаллы иттриевого феррита-граната (ИФГ), обладающие очень малыми акустич. и ферромагн. потерями. На монокристаллах ИФГ изготовляют линии задержки для СВЧ.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНЫ

- волны, возникающие в магнитоупорядоченных кристаллах - ферро- и антиферромагнетиках - из-за связи между магн. и упругими свойствами вещества. Упругие волны, т. е. колебания ионов в кристаллич. решётке относительно положения равновесия, в магнитоупорядоченных кристаллах сопровождаются колебаниями спинов, а следовательно, и колебаниями их магн. моментов; в свою очередь колебания спинов, т. е. спиновые волны, вызывают смещение ионов. T. о. появляется связь между фононной и спиновой, или магнитной, подсистемами. В M. в. изменение магн. параметров состояния (напр., намагниченности) связано с изменением упругих параметров (деформации, механич. напряжения). Возникновение M. в.- одно из проявлений магнитоупру-гого взаимодействия, к-рое в первом приближении можно описать магнитоупругой энергией единицы объёма вещества:

где - тензор магнитоупругих констант, имеющий размерность плотности энергии, u_ik- тензор деформаций, M₀ - модуль вектора намагниченности, M_l / M₀ и М _т/M₀ - направляющие косинусы вектора намагниченности. В ф-ле (1) суммирование осуществляется по дважды встречающимся индексам. Здесь рассматриваются только те колебания, в к-рых модуль вектора M₀ остаётся постоянным. Смешанная M. в., в к-рой переменными величинами являются как механические, так и магн. параметры состояния, т. е. и u_ik и M _{l , m} , наиб, ярко проявляется в области частот, где длина 'упругой волны оказывается близкой по величине к длине спиновой волны (магнитоакустич. резонанс). Дисперсионное соотношение для спиновой волны имеет вид

где g - магнитомеханическое отношение для электрона, А- обменная постоянная, , H₀ - напряжённость внешнего постоянного магн. поля, .N - размагничивающий фактор, k - волновой исктор,- угол между направлениями H₀ и k. Дисперсионные соотношения для продольной и поперечной упругих волн имеют вид где с _l и c_t- скорости звука для продольной и поперечной упругих волн.

Особенности поведения M. в. можно рассмотреть на примере плоских волн, распространяющихся вдоль одного из рёбер решётки кубич. кристалла. Если внеш. магн. поле H₀ ориентировано вдоль направления распространения волн (Q =0), то при наличии магнитоупругой связи дисперсионные соотношения для продольной и поперечной волн примут вид

Здесь b - магнитоупругая константа, - плотность вещества, M _s - намагниченность насыщения, (w _сп - значение w, соответствующее решению дисперсионного соотношения (2). В этом случае продольная часть фононно-го спектра оказывается не связанной с магн. подсистемой (кривая 1 на рис.), а для поперечных волн возможны два решения k₊ и k_, соответствующих двум знакам в соотношении (4).

Пересечение дисперсионных кривых поперечной упругой (кривая 2) и спиновой (кривая 3 )волн происходит при значении волнового числа k= k₀, т. е.

При k << k₀ сплошная кривая 3-2 соответствует чисто спиновой волне, а кривая 2-3 - чисто поперечной упругой и обе волны распространяются со своими скоростями почти независимо друг от друга. При k>> k₀ кривая 3-2 соответствует упругой волне, а кривая 2-3- спиновой и снова волны почти не зависят друг от друга. В области пересечения существуют две связанные M. в., описываемые соотношением (4). При k ~k₀ происходит расщепление дисперсионных кривых на две ветви с частотами

(масштаб кривых на рис. преднамеренно сильно искажён, т. к. обычно

При фиксиров. частоте магнитоупругое взаимодействие обусловливает возможность появления двух волн с волновыми числами k₊ и k_, к-рые распространяются с разной скоростью. Это приводит к вращению плоскости поляризации линейно поляризованной сдвиговой волны. Угол , на к-рый поворачивается плоскость поляризации в волне, прошедшей расстояние z, равен

где

M. в. могут использоваться для преобразования звуковой волны в спиновую и обратно. В таких материалах, как, напр., монокристаллы ферритов-гранатов, на частотах ~10⁹ Гц гораздо легче возбудить и принять спиновую волну, чем звуковую. Если образец феррита поместить в СВЧ-резонатор и возбудить в нём спиновую волну, то при наличии пост. магн. поля, неоднородного по пространству, по образцу побежит спиновая волна с переменным волновым числом k. При уменьшении напряжённости поля H в направлении распространения спиновой волны и при фиксиров. частоте w, задаваемой резонатором, величина k по мере распространения будет увеличиваться. Когда она достигнет значения k ~ k₀, спиновая волна вследствие магнитоупру-гого взаимодействия превратится в магнитоупругую, а при дальнейшем увеличении k -в чисто упругую волну. Дальнейшее уменьшение H уже не будет влиять на характер распространения упругой волны. При таком преобразовании скорость распространения волн изменяется, поскольку скорость упругой волны гораздо больше, чем скорость спиновой волны. Если, начиная с к.-л. точки пространства, величина H возрастает и, следовательно, волновое число для спиновых волн уменьшается, то может произойти обратное преобразование звуковой волны в спиновую. T. о., создавая в образце неоднородное магн. поле, можно преобразовывать друг в друга упругие и спиновые волны и тем самым изменять скорость распространения и время прохождения сигнала по образцу.

Взаимодействие спиновых и упругих волн осуществляется на высоких УЗ- и гиперзвуковых частотах, поскольку область существования спиновых волн ограничена снизу частотами ~10⁸ Гц. Верх, граница для M. в. также определяется возможностью получения спиновых волн и составляет ~5·10¹⁰ Гц.

Наилучшим материалом для возбуждения M. в. являются ферриты, в частности монокристаллы железоит-триевого граната, обладающие высокой добротностью как магнитной, так и упругой подсистем. Эти кристаллы используются в акустоэлектронике для изготовления линий задержки сигналов СВЧ. Управляя посредством неоднородного магн. поля скоростью распространения сигнала (за счёт преобразования волн), можно создавать линии с переменным временем задержки, а используя усиление M. в., возникающее из-за нелинейности магнитоупругого взаимодействия, можно добиться значит, снижения потерь при распространении сигнала.

Лит.: Ахиезер А. II., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В., Спиновые волны, M., 1967; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 3, ч. Б, M., 1968, гл. 4; т. 4, ч. Б, M., 1970, гл. э; Mоносов Я. А., Нелинейный ферромагнитный резонанс, M., 1971; Такер Д ж., P з м p т о н В., Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ., M., 1975; Красильников В. А., Крылов В. В., Введение в физическую акустику, M., 1984. А. Л. Полякова.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.