Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.

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

Диффузная доменная стенка в эпитаксиальных пленках

феррит-гранатов с ромбической магнитной анизотропией

как проявление спин-волнового механизма движения

В достаточно сильных действующих магнитных полях Н, приложенных вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) движущаяся доменная стенка (ДС) излучает спиновые волны (СВ) [1-3]. В однородных магнитных пленках, как показал Ходенков [2] нижняя и верхняя границы диапазона изменения Н, в котором излучаются СВ, определятся, соответственно, соотношениями.

H* = (H_K/3) [1 – (2Q)^-1], (1)

H** = 2H_K/3, (2)

где H_K – поле одноосной магнитной анизотропии, Q - фактор качества материала. Получено экспериментальное подтверждение теоретических выводов [2].

Реализация спин-волнового механизма движения ДС в монокристаллических пленках феррит-граната (МПФГ) зависит от параметра затухания и ориентации пленки. Наименьшим безразмерным параметром затухания Гильберта α обладают МПФГ с ориентацией (111), не содержащие в своем составе быстрорелаксирующих ионов [4]. Значение α не является константой материала, а зависит, в частности, от напряженности постоянного магнитного поля, приложенного в плоскости МПФГ [5,6]. Наличие ромбической магнитной анизотропии (РМА) в плоскости МПФГ также вызывает возрастание эффективного значения параметра затухания α [7].

Диффузной называют динамическую ДС, изображение которой, регистрируемое с помощью магнитооптического эффекта Фарадея при использовании высокоскоростной фотографии (ВСФ), уширено [8-11]. При фазовом контрасте изображение диффузной ДС много шире, чем изображение ДС в статике.

Таблица 1.

Параметры МПФГ с РМА при комнатной температуре

№	Состав	h, μm	l, μm	4πMs, Гс	HK, Oe	Kp, 10^3 эрг/см^3	Q
1.	(Bi,Y,Yb,Gd)3(Fe,Ga,Al)5O12	14.7	0.89	144	4000	1.0	28
2.	(Bi,Y,Lu)3(Fe,Ga)5O12	11.0	0.36	262	2250	725	9.0
3.	(Bi,Y,Lu, Pr)3(Fe,Ga)5O12	12.7	20.2	89	…	590/2700	…

Диффузная ДС может иметь двоякую природу. В относительно слабых импульсных магнитных полях диффузной называют наклонную ДС [8-11]. В неоднородной МПФГ (Bi,Gd,Tm)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с повышенным гиромагнитным отношением ширина диффузной ДС достигала 200 мкм [12].

В работе [13] ‘экспериментально обнаружен новый механизм движения ДС в сильных импульсных магнитных полях: в полях, больших некоторого критического значения Н_и^*, локальные участки движущейся ДС генерируют так называемые «магнитные возмущения», опережающие ДС и оторванные от нее. С течением времени «магнитные возмущения» трансформируются в микродомены, которые в дальнейшем, расширяясь и генерируя вокруг себя эти «возмущения», сливаются с исходным доменом.

В работе [2] показано, что:

- «магнитными возмущениями», генерируемыми движущейся ДС и опережающими ее, являются СВ;

- если СВ излучаются квазипериодической искривленной ДС, то в пучностях интерференционной картины, которые являются центрами зародышеобразования при неповторяющихся процессах импульсного перемагничивания, СВ трансформируются в микродомены;

- генерация микродоменов не наблюдается в экспериментах при безразмерном параметре затухания Гильберта α > 0.15;

- при α > 0.15 перед движущейся ДС имеет место процесс неоднородного вращения векторов намагниченности, воспринимаемый как диффузная ДС;

- с ростом α расстояние от движущейся ДС, на котором затухают СВ, уменьшается, а диффузная ДС сужается.

В табл. 1 приведены параметры исследованных МПФГ с РМА, где h – толщина пленки, l – характеристическая длина, 4πM_s – намагниченность насыщения, H_K – поле одноосной магнитной анизотропии, K_p – константа РМА, Q – фактор качества материала. Образцы имели следующую ориентацию: 1 – вблизи (111) (с наклонной ОЛН); 2 – (110); 3 – (210). РМА для образца 1 характеризовали константой K_p, для образца 2 – полем РМА, для образца 3 – минимальным (в числителе) и максимальным (в знаменателе) значениями порогового поля вращения намагниченности.

Исследования проводили методом ВСФ на установке, описанной в работе [14]. В исходном состоянии либо существовал изолированный ЦМД, либо, МПФГ была намагничена до насыщения (использовался метод перемагничивания [15]).

Вначале изучали расширение ЦМД, находившегося в исходном состоянии вблизи коллапса (рис. 1). Из рис. 1 видно, что быстрее всего перемещаются наиболее узкие участки диффузной ДС, а не широкие, что можно было бы ожидать, исходя из спин-волнового механизма движения ДС. Другими словами, такая ДС (рис. 1) является наклонной.

На рис. 2 показаны изображения динамических доменов, образующихся при расширении ЦМД через промежуток времени t = 0,09 мкс. при разных импульсных полях. Заметим, что при Н_и ~ 65.4 Э (рис. 1,б) имеет место изменение направления эллиптических искажений [16]. При Н_и ~ 216 Э (рис. 1,г) проявляется анизотропное уширение ДС, поскольку соответствующие участки ДС излучают СВ. С ростом Н_и диапазон изменения азимутального угла, при которых ДС излучает СВ, расширяется (рис. 1,д). При Н_и ~ 459 Э (рис. 1,е) СВ излучаются всеми участками ДС, при этом исходный ЦМД приобретает ромбовидную форму, а ширина диффузной ДС практически не меняется по периметру домена.

Рис. 1. Динамические ЦМД в МПФГ (Bi,Y,Yb,Gd)₃(Fe,Ga,Al)₅O₁₂ со слабой РМА (образец 1 в табл. 1) в различные моменты времени t после приложения импульса поля амплитудой Н_и = 260 Э и длительностью t_и = 2 мкс: t, мкс: а - 0,05; б - 0,30; в - 1,00; г - 2,00.

Влияние амплитуды Н_и, импульсного магнитного поля на динамику расширения ЦМД в МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (110), когда движущаяся ДС излучает СВ, иллюстрирует рис. 2. Выше определенного порога Выше определенного порога в непосредственной близости от ДС (с точностью до пространственного разрешения) происходит локальное вращение намагниченности (рис. 2,г-е). Судя по контрасту на микрофотографиях, полученных при полностью скрещенных поляризаторе и анализаторе, процесс вращения намагниченности начинается на поверхности пленки. С ростом Н_и. вращение намагниченности начинается все в более ранние моменты времени t, а участки ДС, перед которыми происходит локальное вращение намагниченности, занимают все большую часть периметра домена. Когда СВ начинает излучаться всеми участками ДС, формируется ромбовидный домен (рис. 2,е).

Рис. 2. Динамические ЦМД в МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (110) (образец 2 в табл. 1) в момент времени t = 0,09 мкс при Н_см = 182 Э и различных амплитудах импульсного магнитного поля Н_и, Э: а – 22.8; б – 65.4; в - 179; г - 216; д - 338; е - 459.

Динамику расширения ЦМД в МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (110) при постоянной амплитуде Н_и, когда имеет место излучение СВ достаточно ограниченным участком ДС, иллюстрирует рис. 3. С течением времени локальное вращение намагниченности обусловливает возрастание линейного размера ЦМД в направлении большой оси.

Рис. 4 иллюстрирует процесс незавершенного импульсного перемагничивания (а и б) и последующей релаксации (в и г) образца 2 в табл. 1. При действующем магнитном поле Н = Н_и - Н_см = 250 Э формируется ромбовидный домен (рис. 4, а и б), ориентация осей которого не меняется со временем. После окончания импульса Н_и направление действующего поля меняется на противоположное (Н = - Н_см = -230 Э). Под действием этого поля внутри исходного домена (рис. 4,а,б) в свою очередь формируется ромбовидный домен (рис. 4,в,г), ориентация осей которого не совпадает с ориентацией осей исходного ромбовидного домена. В процессе релаксации размеры исходного ромбовидного домена уменьшаются, а размеры зародившегося ромбовидного домена растут (рис. 4,в,г). Заметим, что в процессе релаксации ДС исходного ромбовидного домена испытывает пространственные искажения.

Рис. 3. Динамические ЦМД в МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (110) (образец 2 в табл. 1) при Н_см = 182 Э и Н_и = 264 Э в различные моменты времени t, мкс: а - 0,05; б - 0,07; в - 0,11; г - 0,16.

В экспериментах с МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ регистрировали зависимости максимальной и минимальной скорости V участков ДС по периметру ДОН, зарождающегося на точечном дефекте, а также характерные формы ДОН, наблюдающиеся при соответствующем значении действующего поля Н. Оказалось, что как формы кривых V(H), так и формы ДОН достаточно сложны (рис. 4).

Рис. 4. Динамический ДОН, зарождающийся на точечном дефекте в МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (110) под действием перемагничивающего импульса поля с амплитудой Н_и = 480 Э и длительностью t_{и_} = 0,4 мкс при Н_см = 230 Э в разные моменты времени t, мкс: а – 0.2, б – 0.3, в – 0.53; г – 0.57.

Поле H_пл вначале прикладывали вдоль того направления в плоскости пленки, где скорость ДС в отсутствие планарного поля максимальна (рис. 5). Действующее магнитное поле Н = 160 Э выбирали таким, чтобы анизотропия скорости ДС была максимальной. При фиксированном Н регистрировали зависимость V(H_пл), которая сильно несимметрична относительно оси ординат. Характерные формы ДОН, соответствующие различным значениям H_пл, показаны внизу рис. 5. Видно, что при H_пл = -250 Э и H_пл = 900 Э (направление оси абсцисс выбрано условно) ДОН имеет практически круговую форму, т.е. анизотропия скорости ДС отсутствует , (либо ДС не излучает СВ, либо глубина затухания СВ слишком мала).

При отрицательном H_пл минимальная скорость ДС V_мин резко возрастает с ростом ǀH_плǀ, тогда как максимальная скорость V_макс меняется относительно слабо. При H_пл = Н* = - 250 Э анизотропия скорости ДС исчезает, а при H_пл = H_вр^- = - 300 Э начинается процесс вращения намагниченности по всей МПФГ.

Рис. 5. Зависимости минимальной V_мин (1) и максимальной V_макс (2, 3) скорости участков ДС ДОН от планарного магнитного поля Н_пл, приложенного вдоль направления, где имеет место однонаправленное повышение скорости ДС при Н_пл = 0, в МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210) (образец 3 в табл. 1) при Н = 160 Э.

При H_пл ~ - 100 Э ДС излучает СВ, а анизотропия скорости ДС ярко выражена. При дальнейшем уменьшении ǀH_плǀ до нуля, изменении направления планарного поля на противоположное и последующем повышении H_пл при некоторых азимутальных углах φ все еще выполняется соотношение H* < H < H**, поэтому однонаправленная анизотропия сохраняется. Однако диапазон изменения углов φ, для которых выполняется указанное соотношение, сужается. При H_пл ~ 200 Э соотношение H* < H < H** начинает выполняться для участков ДС, расположенных на противоположной стороне ДОН. С ростом H_пл диапазон углов φ, где выполняется соотношение H* < H < H** становится близким к 360⁰ (проявляется однонаправленное понижение скорости ДС). При H_пл > 900 Э форма ДОН близка к круговой. Вращение намагниченности при положительном H_пл начинается при H_пл = H_вр⁺ = 1500 Э. Заметим, что значения H_вр⁺ и H_вр^- различаются в 5 раз.

Рис. 6. Зависимости минимальной V_мин (1) и максимальной V_макс (2, 3) скорости участков ДС ДОН от планарного магнитного поля Н_пл, приложенного перпендикулярно направлению, где имеет место однонаправленное повышение скорости ДС при Н_пл = 0, в МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210) (образец № 3 в табл. 1) при Н = 160 Э.

Характерные формы ДОН, соответствующие случаю, когда планарное магнитное поле приложено перпендикулярно направлению, вдоль которого при H_пл = 0 имеет место однонаправленное повышение скорости ДС, приведены на рис. 6. В этом случае зависимость V(H_пл) асимметрична относительно оси ординат, причем анизотропия скорости ДС имеет место при всех значениях H_вр^- < H_пл < H_вр⁺. При положительном H_пл происходит изменение местоположения участка ДС, для которого скорость максимальна, причем в диапазоне 40 Э < H_пл < 120 Э искажения наблюдаются с обеих сторон ДОН. Зависимость V_мин (H_пл) имеет минимум при H_пл = 0 и максимум при H_пл = -400 Э, где также наблюдается максимум V_макс. Вращение намагниченности начинается при H_пл = H_вр⁺ = 260 Э и H_вр^- = - 1800 Э, т. е значения H_вр⁺ и H_вр^- различаются в 7 раз.

Несимметричность кривых на рис. 5 и рис. 6 свидетельствует о том, что ни направление, для которого скорость ДС при H_пл = 0 максимальна, ни перпендикулярное к нему направление не совпадают с направлением плоскостной компоненты суммарного эффективного поля магнитной анизотропии. Из данных, полученных с помощью метода однородного зарождения доменов [16], можно сделать вывод, что суммарное эффективное поле анизотропии в плоскости пленки направлено под углом j = 53⁰ (233⁰), поскольку при таком j значение нормальная компонента магнитного поля H_см* при однородном зарождении доменов обращается в нуль.

Эксперимент показал, что для j = 53⁰ кривые V(H_пл) практически симметричны относительно оси ординат, смена направления однонаправленного повышения скорости ДС происходит при очень малых значениях H_пл, а пороговые поля вращения намагниченности для противоположных направлений H_пл практически совпадают. При -200 Э < H_пл < 200 Э наблюдаются одностороннее повышение скорости ДС. Изменение напряженности H_пл при фиксированном направлении этого поля, а также изменение направления планарного магнитного поля при фиксированном H_пл относительно слабо влияют на вид кривых V(H). Основной эффект состоит в изменении порогового поля, при котором проявляется однонаправленная анизотропия скорости ДС.

Литература

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

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

3. В.В.Рандошкин. Спин-волновой механизм движения доменных стенок в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов с одноосной магнитной анизотропией. Материали за VIII Международна научна практична конференция «Динамиката на съвременната наука - 2012», 17 – 25 июли 2012, (Динамика современной науки - 2012), София, 2012, т. 12, с 17-20.

4. Рандошкин В.В. Параметры затухания в монокристаллических пленках феррит-гранатов. Материали за VIII Международна научна практична конференция «Найновите постижения на европейската наука - 2012», 17 – 25 июня 2012, (Актуальные достижения европейской науки - 2012), София, 17 – 25 июня 2012, т. 18, с. 46-47.

5. В.В.Рандошкин, М.В.Логунов. Влияние планарного магнитного поля на динамику доменных стенок в пленках феррит-гранатов с малым затуханием. ФТТ, 1994, т. 36, № 12, с. 3498-3505.

6. В.В.Рандошкин. О диссипации энергии при движении доменной стенки. Письма в ЖТФ, 1995, т. 21, № 23, с. 74-79.

7. В.В.Рандошкин. Особенности проявления спин-волнового механизма движения доменных стенок в пленках ферритов-гранатов с ромбической магнитной анизотропией. ФТТ, 1997, т. 39, № 8, с. 1421-1427.

8. G.J.Zimmer, T.M.Morris, K.Vural, F.B.Humphrey. Dynamic diffuse wall in magnetic bubble garnet materials. Appl. Phys. Lett., 1974, vol. 25, N 12, p/ 750-753.

9. Л.П.Иванов, А.С.Логгинов, Г.А.Непокойчицкий, В.В.Рандошкин, Р.В.Телеснин. Диффузная доменная стенка в пленках ферритов-гранатов. ФТТ, 1979, т. 21, № 6, с. 1868-1870.

10. T.Suzuki, L.Gal. Observation of fuzzi walls by sampling photography in bubble garnet films. Japan. J. Appl. Phys., 1979, vol. 18, N 8, p. 1609-1610.

11. K.Vural, F.B.Humphrey. Dynamic wall deformation in bubble garnet materials. J. Appl. Phys., 1980, vol. 51, N 1, p. 549-555.

12. В.В.Рандошкин, М.В.Логунов. Механизм формирования диффузной доменной стенки. ФТТ, 1994, т. 36, № 6, с. 1770-1773.

13. Л.П.Иванов, A.C.Логгинов, Г.А.Непокойчицкий. Экспериментальное обнаружение нового механизма движения доменных границ в сильных магнитных полях. ЖЭТФ, 1983, т. 84, N 3, с. 1006-1021.

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

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

16. Hubert A., Malozemoff A.P., De Luca J.C. Effect of cubic. tilted uniaxial, and orthorhombic anisotropies on homogeneous nucleation in a garnet bubble films. J. Appl. Phys., 1974, vol. 45, N 8, p. 3562-3571.