Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.

Институт общей физики им. А.М.Прохорова Российской академии наук, Москва, Россия

Магнитный вихрь в пленках

феррит-гранатов как проявление спин-волнового механизма движения доменных стенок

Методом перемагничивания [1,2] с использованием высокоскоростной фотографии (ВСФ) [1,3] исследовали расширение доменов с обратной намагниченностью (ДОН), зарождающихся на точечном дефекте в МПФГ. В исходном состоянии образец намагничивали полем смещения Н_см > H₀, где H₀ – поле коллапса цилиндрических магнитных доменов (ЦМД). Импульсное магнитное поле, которое прикладывали в противоположном направлении, формировали с помощью плоской катушки с внутренним диаметром ~1 мм, расположенной на поверхности пленки. Длительность фронта перемагничивающего импульса варьировали в интервале 5 ¸ 400 нс. Неоднородное магнитное поле Н_и(r) характеризовали амплитудой в центре плоской катушки Н_и (r = 0).

Если амплитуда перемагничивающего импульса сравнима с полем одноосной магнитной анизотропии Н_К, то перемагничивание МПФГ начинается во время действия фронта импульса и осуществляется вращением векторов намагниченности, которые локализованы вблизи витков плоской катушки на поверхности пленки. Это приводит к образованию так называемой волны опрокидывания магнитного момента (ВОММ) [4-6], которая движется от периферии к центру катушки. ВОММ формируется при достижении локальным магнитным полем Н_н (r,t) = Н_и (r,t)- Н_см (r - расстояние от центра плоской катушки, t - время, отсчитываемое от начала действия перемагничивающего импульса) критического значения H_кр. Фронт ВОММ разделяет перемагниченную (на периферии) и неперемагниченную (в центре) области МПФГ. Движение ВОММ отражает пространственное распределение аксиально-симметричного поля и вызванного им различия времен перемагничивания по площади пленки, ограниченной плоской катушкой.

В МПФГ с малым затуханием движущаяся ДС может излучать СВ, удаляющиеся от нее на достаточно большое расстояние [7-9] и вызывающие генерацию микродоменов перед движущейся ДС [10]. Мы предположили, что СВ могут излучаться не только движущейся ДС, но и фронтом ВОММ. Если длительность фронта перемагничивающего импульса не слишком мала, то скорость СВ будет выше, чем скорость перемещения фронта ВОММ. В этом случае могут возникнуть своеобразные динамические доменные структуры.

С целью обнаружения и изучения таких структур мы варьировали длительность фронта t_ф импульса перемагничивания МПФГ в неоднородном магнитном поле [11]. Нарастание магнитного поля характеризовали скоростью V_н перемещения границы, на которой H_и(t) = const (0 £ t £t_ф). Эту границу будем называть линией постоянства магнитного поля. Треугольный магнитный домен (ТМД) [4-6] образуется всегда только при высокой скорости перемещения линии постоянства магнитного поля, существенно превышающей минимальную фазовую скорость СВ V₊. Микродомены, зарождающиеся вблизи ДС при перемагничивании МПФГ в неоднородном магнитном поле, сливаясь, образуют кольцевой "выгодно" намагниченный домен, который затем расширяется. При встрече ДС, вблизи которой произошло зарождение микродоменов, и внешней ДС кольцевого домена образуется узкая доменная конфигурация («кольцо»). Вблизи внутренней ДС кольцевого домена процесс генерации микродоменов повторяется. ДС формируется в точках, где H_н близко к H_Кэ, в то время как зарождение микродоменов вблизи движущейся ДС происходит в точках, где H_н существенно меньше H_Кэ. По мере нарастания магнитного поля на микродомены и формирующуюся из них кольцевую структуру воздействует все большее магнитное поле, превышающее, в конце концов, значение H_Кэ. Заметим, что наблюдение сразу нескольких "колец" одновременно оказывается возможным вследствие метастабильности узких доменных конфигураций, являющихся аналогом 360-градусной ДС [12,13].

При увеличении t_ф можно в процессе нарастания магнитного поля получить динамическую доменную структуру в виде концентрических “колец” или треугольных контуров. Формирование таких динамических доменных структур, названных нами кольцевыми, происходит следующим образом. Перемагничивание начинается движением ВОММ. В конце первого этапа перемагничивания в области с большим градиентом магнитного поля формируется ЦМД большого диаметра (или ТМД). Затем перемагничивание продолжается необычным образом: размер ЦМД (или ТМД) скачком уменьшается, а практически на месте его ДС остается “кольцо” или “контур”. Этот процесс может повторяться неоднократно. “Кольца” через некоторое время после образования поочередно коллапсируют, начиная с внешних.

Рис.1. Магнитный вихрь в МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ толщиной h = 32 мкм при Н_см = 92 Э и Н_и = 1500 Э, t_и = 35 нс (а, б) и 15 нс (в) в разные моменты времени t, нс: а - 15, б - 85, в - 27.

Дальнейшее увеличение t_ф (по сравнению с ситуацией, когда образуются «кольца») вызывает появление новой динамической доменной структуры, названной магнитным вихрем [14,15]. Магнитный вихрь был обнаружен при изучении перемагничивания достаточно толстой неоднородной МПФГ с малым затуханием. В этом случае перемагничивание начинается движением ВОММ. Первый этап заканчивается через 10 ¸ 20 нс образованием наклонной ДС. Далее процесс перемагничивания приобретает принципиально иной характер. Хотя неперемагниченная область продолжает сжиматься, но внутри нее происходит распад однородного состояния намагниченности, приводящий к формированию магнитного вихря. На рис.1,а показано типичное изображение такого вихря. При изменении направлений полей Н_и и Н_см на противоположные, направление закручивания струй в вихре также изменяется на противоположное. В конце процесса перемагничивания магнитный вихрь стягивается в небольшую область, которая затем коллапсирует. Формирование магнитного вихря наблюдается также на срезе перемагничивающего импульса, причем закручивание спирали меняется на противоположную с левой (рис.1,а) на правую (рис.1,б). Вихрь, который формируется на срезе импульса поля длительностью 70 нс, выражен более ярко (рис.1,б), поэтому он использовался для установления вида спирали. Анализ показал, что струи намагниченности в вихре образуют логарифмическую спираль [15]. На рис.1,б для сравнения показана кривая r = r₀ exp (kj), где r₀ = 90 мкм, k = ctg r, r = 43⁰. Возможная ошибка для r, составляющая ±5⁰, связана с неоднозначностью определения полюса спирали. При коротком импульсе магнитного поля наблюдается система из двух вихрей (рис.1,в).

Заметим, что струи с обратной намагниченностью в магнитном вихре, показанном на рис.1, "дискретны", что связано с большой толщиной пленки (h = 32 мкм). Иная картина наблюдается в тонкой МПФГ (h = 3,7 мкм), где струи намагниченности (рукава спирали) являются "сплошными" (рис.2). В МПФГ с малым затуханием (безразмерный параметр затухания α = 0.01) промежуточной толщины (рис.3) и при большем затухании (рис.4) в рукавах спирали наблюдаются разрывы.

Анализ изображения магнитных вихрей (рис.1 – рис.4) показывает, что струи намагниченности в вихре, как и "кольца", формируются из несквозных микродоменов, которые со временем "прорастают" по толщине пленки и сливаются. Промежуточной динамической доменной структурой между кольцевой структурой и магнитным вихрем может быть структура в виде мелких (~1 мкм) микродоменов, сливающихся в широкую кольцеобразную область (рис.4).

Рис.2. Магнитный вихрь в МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ толщиной h = 3.7 мкм при Н_см = 308 Э, Н_и = 1410 Э и t_и = 440 нс в разные моменты времени t, нс: а - 40, б - 50, в – 80.

При зарождении микродоменов под действием аксиально-симметричного неоднородного магнитного поля его плоскостная компонента должна была бы приводить к вытягиванию микродоменов по радиусу. Однако из-за влияния гиротропной силы большая ось микродоменов отклоняется от этого направления. Из рис.1 и рис.4 видно, что она составляет угол 40 ¸ 45⁰ с направлением плоскостной составляющей магнитного поля.

При формировании магнитного вихря всегда выполняется соотношение V_H < V₊, поэтому СВ могут опережать излучающие их ДС и вследствие малости затухания удаляться от них на большое расстояние, что вызывает зарождение микродоменов продолговатой формы. Большая ось этих микродоменов вследствие действия гиротропной силы направлена под углом к радиусу. Вблизи концов образовавшихся первыми микродоменов в свою очередь зарождаются микродомены и т.д. Цепочки этих микродоменов образуют струи намагниченности (рукава спирали). Зарождение микродоменов вблизи движущейся ДС, действие гиротропной силы, достаточно большие глубина затухания СВ и время существования микродоменов определяют закручивание спиральных рукавов в магнитном вихре и достаточно большой их размер.

Рис.3. Динамические доменные структуры в МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ толщиной h = 9.8 мкм при Н_см = 200 Э, Н_и = 1400 Э (а) и 1500 Э (б-е) для разных t_ф, нс, в различные моменты времени t, нс: а - 7; 15; б - 40; 30; в - 40; 35; г - 40; 45; д - 70; 40; е - 70; 75.

При малой скорости нарастания магнитного поля, когда V_H ~ V_W (пркдельная скорость Уокера) перемагничивание МПФГ начинается зарождением уединенной замкнутой ДС вблизи витков катушки, которая затем перемещается к центру. При этом вблизи движущейся ДС также может происходить генерация микродоменов, что вызывает искажение формы ДС, повторяющей в момент зарождения форму витков катушки.

Рис.4. Динамические доменные структуры в МПФГ (Bi,Tm)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ толщиной h = 2/4 мкм при Н_см =290 Э, t_ф = 350 нс и разных Н_и, Э: 3300 (а), 2200 (б) и 1300 (в) в разные моменты времени t, нс: а - 100, б - 150, в - 270.

Рис.5. Динамические доменные структуры в МПФГ (Bi,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ толщиной h = 8.1 мкм при Н_см = 220 Э, Н_и = 1600 Э и t_и = 350 нс в различные моменты времени t, нс: а - 100, б - 105, в - 110, г - 115, д - 120.

Таким образом, конфигурацию динамических доменных структур, наблюдающихся в процессе импульсного перемагничивания МПФГ, можно объяснить в рамках спин-волнового механизма. При малой t_ф СВ в процессе движения ВОММ не излучаются, поскольку их скорость меньше, чем скорость ВОММ. После образования ТМД, которое происходит при Н ~ Н_Кэ, возможность излучения СВ в направлении движения ДС зависит от местоположения ДС и скорости V_H. Если ДС локализована вблизи центра катушки, где однородность магнитного поля максимальна, излучение СВ не происходит. При V_H < V₊ СВ могут излучаться фронтом ВОММ прежде, чем сформируется ДС ТМД, перпендикулярная плоскости пленки. При малом затухании излучение СВ движущейся ДС ТМД или фронтом ВОММ вызывает формирование магнитного вихря, размеры спиральных рукавов в котором зависят от t_ф. Излучение СВ прекращается при малой V_H ~ V_W вследствие уменьшения действующего поля. В частности, при V_H < V_W ДС успевает "отслеживать" перемещение границы с Н_H = 0.

Литература

1. Владимир Рандошкин. Динамика однохиральных доменных стенок. Импульсное перемагничивание пленок феррит-гранатов. Lambert Academic Publishing, 2011, 400 с.

2. Рандошкин В.В. Метод измерения скорости доменных стенок в пленках феррит-гранатов, ПТЭ, 1995, № 2, с.155-161.

3. Логунов М.В., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Универсальная установка для исследования динамических свойств ЦМД-материалов. ПТЭ, 1985, № 5, с. 247-248.

4. Иванов Л.П., Логгинов А.С., Непокойчицкий Г.С. Экспериментальное обнаружение нового механизма движения доменных границ в сильных магнитных полях // ЖЭТФ. - 1983. - Т.84. - В.3. - С.1006-1021.

5. Логгинов А.С., Непокойчицкий Г.А. Сверхвысокие скорости волны опрокидывания магнитного момента в пленках ферритов-гранатов // Письма в ЖЭТФ. - 1982. - Т.35. - В1. - С.22-25.

6. Иванов Л.П., Логгинов А.С., Морченко А.Т., Непокойчицкий Г.А. Обнаружение импульсных критических полей, меняющих характер перемагничивания пленок ферритов-гранатов. Письма В ЖТФ, 1982, т 8, № 6, с. 237-241.

7. Ходенков Г.Е. Излучение спиновых волн при движении блоховской доменной границы в ферромагнетиках с большой константой анизотропии. ФММ, 1975, т. 39, № 3, с. 466-467.

8. Иванов Ю.В. Динамика доменной границы в спин-волновом приближении. ЖЭТФ, 1981, т. 81, № 2, с. 612-626.

9. Рандошкин В.В. Особенности движения доменных стенок с излучением спиновых волн. ФТТ, 1995, т. 37, № 10, с. 3056-3073

10. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. О механизме зарождения микродоменов вблизи движущейся доменной стенки. ФТТ, 1986, т. 28, № 5, с. 1522-1525.

11. Логунов М.В., Рандошкин В.В, Сигачев В.Б. Динамические доменные структуры при импульсном перемагничивании монокристаллических пленок феррит-гранатов. ФТТ, 1987, т. 29, № 8, с. 2247-2254.

12. Мартынов А.Ф., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В. 360-градусная динамическая доменная стенка в пленках феррит-гранатов. Письма в ЖЭТФ, I98I, т 34, № 4, с. 169-171.

13. Куделькин Н.Н., Рандошкин В.В., Ходенков Г.Е. Разрыв 360-градусной доменной границы в одноосных ферромагнетиках. Письма в ЖТФ, 1983, т 9, № 22, с. 1358-1360.

14. Куделькин Н.Н., Рандошкин В.В. Магнитный вихрь в пленках феррит-гранатов. Письма в ЖЭТФ, 1983,38, № 10, с. 481-483.

15. Куделькин Н.Н., Прохоров А.М., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В., Тимошечктн М.И. Механизмы импульсного перемагничивания пленок феррит-гранатов. Доклады АН СССР, 1985, т. 281, № 4, с. 848-851.