Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.
Институт
общей физики им. А.М.Прохорова Российской академии наук, Москва, Россия
e-mail:
randoshkin_v@mail.ru
Гиромагнитное
отношение в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов с одноосной магнитной
анизотропией
Монокристаллические пленки
феррит-гранатов (МПФГ) для различных приложений выращивают методом жидкофазной
эпитаксии (ЖФЭ) из переохлажденного раствора-расплава [1]. Предельная скорость
стационарного движения ДС в МПФГ пропорциональна эффективному значению
гиромагнитного отношения g [2]. Для большинства МПФГ
значение g/g0 = 0,5 ¸1, где g0 = 1,76 х
10-7 Э-1 с-1
- гиромагнитное отношение ионов Fe3+, и скорость ДС V = 5 ¸30 м/с. Один из путей повышения быстродействия
доменных устройств на основе МПФГ состоит в увеличении g [2,3]. Безвисмутовые МПФГ с высоким g были получены в работах [3-5]. Висмут-содержащие МПФГ
с повышенным гиромагнитным отношением разрабатывались в только Институте общей
физики РАН (см. таблицу) [6-20].
Значение g-фактора для
основного состояния свободного многоэлектронного иона можно рассчитать по
формуле Ланде:
g = 1 + [J(J + 1) + S(S + 1) - L(L + 1)]/[2J (J + 1)] (1)
где
J, S и L - квантовые числа, определяемые по правилу Хунда [21]. Значения
g-фактора для свободных трехвалентных редкоземельных ионов остаются приблизительно
справедливыми и для ионов, находящихся в кристаллической решетке феррит-граната
[22]. Для ионов с L = 0 (Fe 3+, Gd 3+) g-фактор, как и
для свободного электрона, равен 2. Особый случай представляет ион Eu 3+, g -фактор которого по формуле Ланде (1) вычислить
нельзя, так как его основное состояние характеризуется J = 0 и L = S. Однако,
несмотря на отсутствие полного механического момента, ион Eu3+ является
парамагнитным [23,24], поэтому для него g
>>2 [25].
В Gd-содержащих МПФГ эффективное значение гиромагнитного
отношения определяется соотношением [8]:
γ = γ0 (MFe + MGd + MR)
/ (MFe + MGd), (2)
где γ0 = 1.76 х
107 Э-1 с-1 – гиромагнитное отношение ионов Fe3+, MGd и MR –
части намагниченности додекаэдрической подрешетки в структуре граната,
обусловленные ионами Gd3+и R3+, соответственно, MFe –
суммарная намагниченность тетра- и октаэдрической подрешеток в структуре
граната, обусловленная ионами Fe3+. В отсутствие в составе феррит-граната гадолиния
соотношение (2) принимает вид формулы Киттеля [21]:
γ = γ0 (MFe + MR)
/ MFe. (3)
Среди редкоземельных ионов,
создающих в эпитаксиальных МПФГ в паре с висмутом одноосную магнитную анизотропию,
быстрорелаксирующими являются ионы Tm3+, Eu3+,
Yb3+, Er3+, Sm3+, Dy3+, Ho3+ и Tb3+.
Заметим, что в этом ряду ионы расположены по мере возрастания приведенного
параметра затухания Ландау-Лифшица Λ.
В точке компенсации
магнитного момента (КММ), которая имеет место при (MFe + MGd + MR) → 0, и суммарный магнитный момент, и
эффективное значение гиромагнитного отношения равны нулю. В точке компенсации
момента импульса (КМИ), которая имеет место при MFe + MGd → 0, эффективное значение ǀγǀ →
∞, причем по обе стороны от этой точки значение γ имеет разные знаки, что доказано экспериментально [26].
Для исследования влияния на
скорость ДС уровня замещения железа немагнитными ионами, приводящего к
изменению суммарного магнитного момента ионов Fe3+, были синтезированы
МПФГ (Bi,Eu,Lu)3Fe5-t(Ga,Al)tO12,
выращенные на подложках GGG с
ориентацией (111). Содержание ионов Ga3+
и Al3+ в этих пленках изменяли в диапазоне от 0/5 ≤ t ≤
1.8 путем варьирования в растворе-расплаве мольного отношения R2 = Fe2O3/(Ga2O3
+ Al2O3) в интервале от 14,7 до 2,9.
Таблица.
Параметры МПФГ с ориентацией (111)
№ п/п |
Под- ложка |
Состав МПФГ |
h, мкм |
l, мкм |
4πМs, Гс |
μ, м/(с
Э) |
Vcт, м/с |
1. |
NGG |
(Bi,Eu)3(Fe,Ga,Al)5O12 |
4.4 |
1.1 |
140 |
3.5 |
>1460 |
2. |
GGG |
(Bi,Er)3(Fe,Ga)5O12 |
8.2 |
0.72 |
232 |
1.5 |
>680 |
3. |
GGG |
(Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 |
1.7 |
0.83 |
120 |
10.8 |
1180 |
4. |
GGG |
(Bi,Yb)3(Fe,Ga)5O12 |
9.5 |
0.48 |
128 |
1.65 |
180 |
5. |
GGG |
(Bi,Тb)3(Fe,Ga)5O12 |
6.6 |
0.20 |
277 |
0.43 |
316 |
6. |
GGG |
(Bi,Но)3(Fe,Ga)5O12 |
8.8 |
0.15 |
271 |
0.60 |
172 |
7. |
SGG |
(Bi,Dy)3(Fe,Ga)5O12 |
11.0 |
0.13 |
433 |
0.66 |
160 |
8. |
GGG |
(Bi,Gd,Tm)3(Fe,Ga)5O12 |
19.7 |
1.30 |
151 |
9.00 |
535 |
Здесь h- толщина пленки, l - характеристическая длина, 4πMs – намагниченность насыщения, μ – начальная
подвижность ДС, Vcт –скорость срыва стационарного движения ДС.
Литература
1.
Дудоров В.Н., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В.
Синтез и физические свойства монокристаллических пленок редкоземельных
феррит-гранатов, УФН, 1977, т. 122, № 2, с. 253-293.
2.
Владимир Рандошкин. Динамика однохиральных
доменных стенок. Импульсное перемагничивание пленок феррит-гранатов. Lambert Academic Publishing,
2011, 400 с.
3.
Le Craw R.C., Blank S.L.,
Vella-Coleiro G.P. New high-speed bubble garnet based on large gyronagnetic
ratios. Appl. Phys. Lett., 1975, vol.26, N 7, p. 402-404.
4. Vella-Coleiro G.P., Blank S.L.,
Le Craw R.C. Influence of gyromagnetic ratio on magnetic domain wall dynamics.
Appl. Phys. Lett., 1975, vol. 26, N 12, p. 722-724.
5. Ohta N., Ikeda T., Ishida F.,
Sugita Y. High g bubble garnets without containing Eu3+ ion. J.
Phys. Soc. Japan. 1977, vol. 43, N 2, p. 705-706.
6. Зоря В.И., Зуева И.Ю., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б., Тимошечкин М.И. Скорость движения доменных стенок в пленках (Eu,Lu,Bi)3(Fe,Ga,Al)5O12.
ЖТФ, 1984, т. 54, № 7, с. 1381-1383.
7.
Заболотная Н.В., Осико В.В., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б., Тимошечкин М.И.
Пленки (Tm,Bi)3(Fe,Ga)5O12 с высокой скоростью
движения доменных стенок. Письма в ЖТФ, 1984, т. 10, № 13, с. 788-792.
8.
Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Экспериментальная проверка одномерной теории
движения доменных стенок в одноосных
ферромагнетиках. Письма в ЖЭТФ, 1985, т. 42, № 1, с. 34-37.
9.
Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Влияние температуры на динамику доменных стенок в
пленках феррит-граната (Bi,Eu)3(Fe,Ga,Al)5O12
вблизи точки компенсации момента импульса. ЖТФ, 1988, т. 58, № 12, с. 2350-2354.
10.
Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Влияние
замещения ионов железа на динамические параметры Eu-содержащих пленок
феррит-гранатов вблизи точки компенсации момента импульса. ФТТ, 1994, т. 36, № 12, с. 3493-3497.
11. Randoshkin V.V. Magneto-optical
garnet films with high g-factor. Internat. Congr. on Opt. Sci. and Eng., 24-28
April 1989, Paris, France, рaper 1126-21.
12.
Рандошкин В.В., Логунов М.В., Сажин Ю.Н., Чани В.И., Клин В.П., Шушерова Е.Э. (Eu,Bi)3(Fe,Ga)5O12 с разной
ориентацией вблизи точки компенсации момента импульса. Письма в ЖТФ, 1992, т.
18, №4, с. 71-74.
13.
Айрапетов А.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В., Чани В.И., Шушерова Е.Э. Пленки
(Dy,Bi)3(Fe,Ga)5O12 с повышенным гиромагнитным
отношением. Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, № 4, с. 79-82.
14.
Айрапетов А.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В., Чани В.И., Шушерова Е.Э. Свойства
пленок (Ho,Bi)3(Fe,Ga)5O12 с вблизи точки
компенсации момента импульса. ФTT, 1992, т. 34, № 5, с. 1649-1651.
15.
Рандошкин В.В. Зависимость скорости доменных стенок от магнитного поля в одноосных
пленках феррит-гранатов с разным
затуханием. ФТТ, 1995, т. 37, № 3, с. 652-659.
16.
Айрапетов А.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В. Чани В.И. Пленки (Yb,Bi)3(Fe,Ga)5O12
с повышенным гиромагнитным отношением. Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, № 2, с. 74-77.
17.
Рандошкин В.В., Ефремов В.В., Логунов М.В., Сажин Ю.Н. Пленки (Tb,Bi)3(Fe,Ga)5O12
с вблизи точки компенсации момента импульса. Письма в ЖТФ, 1993, т. 19, № 2, с.
28-32.
18.
Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Динамика
доменных стенок в пленках (Bi,Er)3(Fe,Ga)5O12
вблизи точки компенсации момента импульса. ФТТ, 1987, т. 29,№ 9, с. 2658-2665.
19.
Рандошкин В.В., Ефремов В.В., Шушерова Е.Э. Пленки феррит-граната состава
(Bi,Eu,Gd)3(Fe,Ga)5O12 с повышенной
термостабильностью динамических параметров. Письма в ЖТФ, 1993, т. 19, № 2,
с. 43-46.
20.
Рандошкин В.В., Полежаев В.А., Сажин Ю.Н., Сысоев Н.Н., Дудоров В.Н. О магнитном поле, действующем на движущиеся
доменные стенки в пленках феррит-гранатов (Yb,Bi)3(Fe,Ga)5O12.
Письма в ЖТФ, 2002, т. 28, № 14, с. 38-42.
21.
Киттель Ч. Введение в физику твердого тела: Пер. с англ., М.: Наука, 1978, 792
с.
22.
Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука, 1973, 592 с.
23. Wolf W.P., van Vleck J.H.
Magnetism of europium garnet. Phys. Rev., 1960, vol. 118/ N 6, p. 149O-1492.
24. Myers S.M., Remeika J.P.,
Meyer H. Sublattice magnetization in europium iron garnet. Phys. Rev., 1968, vol.
170, N 2, p. 520-523.
25. Le Craw R.C., Remeika J.P.,
Matthews H. Angular momentum compensation in narrow linewidth ferrimagnetics. J. Appl. Phys., 1965, vol. 36, N 3, part II, p. 901-905.
26.
Логинов Н.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В. О знаке эффективного значения
гиромагнитного отношения в пленках феррит-гранатов вблизи точки компенсации
момента импульса. ЖТФ, 1990, т. 60, № 9, с. 126-128.