Введение

Ферриты-гранаты являются перспективными материалами для магноники и спинтроники благодаря возможности формирования в них сложных магнитных доменных структур. В тонких пленках [ 1,2,3] этих материалов под воздействием внешнего магнитного поля и вследствие конкуренции магнитных взаимодействий (обменного, анизотропии, диполь-дипольного) могут возникать нестационарные и стационарные спиральные домены. Эти структуры представляют собой полосовые домены, закрученные в спирали [ 4,5,6 ], и их динамика представляет значительный научный и практический интерес.

Цель исследования

Наблюдение и изучение спиральных доменных структур в тонких пленках ферритов-гранатов, с использованием метода высокочастотной магнитооптики.

Материалы и методы исследования

В работе исследуются эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов (например, YFeO₃ или аналогичные), выращенные на подложках гадолиний-галлиевого граната (GGG) [7]. Характеристики исследуемых образцов представлены в таблице 1., наблюдения проводились на двух образцах.

Таблица 1. Характеристики исследуемых образцов.

L – толщина образца

P0 – период исходной доменной структуры

Hs– статическое поле насыщения

L*– характеристическая длина материала, является мерой ширины домена

Js– намагниченность насыщения

HA – поле насыщения

Q – фактор качества

В Размагниченном состоянии, в такого типа пленках возникает доменная структура, представленная на рис.1. Лабиринтная доменная структура в пленках ферритов-гранатовпоявляется как компромисс между энергией намагниченности и энергией магнитного поля, возникающего в пленке, что минимизирует общую энергию системы. Спиральные доменные структуры в пленках ферритов гранатов возникают под действиемпеременногомагнитного поля, которое вызывает переориентацию намагниченности в этих доменах. Хотя постоянное поле также влияет на доменную структуру, именно переменное поле с определенной частотой и направлением необходимо для создания вихревых токов и последующей магнитной перестройки, ведущей к образованию спиральных структур.

Рис.1 Пример исходной лабиринтарной доменной структуры

Для наблюдения доменных структур использовался метод высокочастотной магнитооптики. Линейно-поляризованный свет проходит через образец феррита-граната, помещенный в магнитное поле. В зависимости от направления намагниченности в разных доменах происходит поворот плоскости поляризации света на разные углы (эффект Фарадея). При прохождении через анализатор эти различия в угле поворота преобразуются в различия в интенсивности света, что делает доменные структуры видимыми в микроскоп. Для изучения динамики процессов применяются импульсные магнитные поля и высокоскоростная регистрация изображений. Схема экспериментальной установки включает следующие основные элементы:

Рис.2 Блок схема экспериментальной установки

1. Источник света.
2. Импульсная лампа вспышка
3. Собирающая линза
4. Зеркало
5. Поляризатор
6. Образец, размещенный в центре катушки.
7. Катушка переменного поля
8. Катушка постоянного поля
9. Анализатор микроскопа
10. Микроскоп и CCD-камера для регистрации изображения
11. Источник постоянного тока
12. Генератор импульсов

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе эксперимента были зафиксированы различные типы спиральных доменных структур:

1. Одиночные спирали: Изолированные спиралевидные домены.
2. Парные спирали (биспирали): Две взаимосвязанные спирали.
3. Сложные ансамбли: Множество взаимодействующих спиральных доменов, образующих сетку.

Рис. 4 Виды спиральных доменов в образце № 2, при различных амплитудах и частотах переменного магнитного поля

Рис. 5 Виды спиральных доменов в образце № 1, при различных амплитудах и частотах переменного магнитного поля

Возникновение спиральных структур объясняется неоднородностью распределения магнитных полей в образце. Под действием высокочастотного поля концы полосовых доменов теряют устойчивость и начинают закручиваться. Это происходит из-за минимизации энергии системы, когда энергия зацепления доменных стенок и их энергия изгиба становятся сравнимыми. Динамическое перемагничивание приводит к тому, что прямолинейные домены "сворачиваются" в спирали, которые являются более энергетически выгодной конфигурацией в данных условиях.

Анализирую результаты наблюдения, можно сделать некоторые предположения о наиболее благоприятных условиях для формирования спиральных доменов[8]. При снижении поля на движущуюся со скоростью v«головку» полосового домена, действует гиротропная сила перпендикулярная скорости. Гиротропная сила действует на движущуюся доменную границу (границу между доменами с разным направлением намагниченности) и вызывает ее отклонение от прямолинейного движения. Это отклонение может приводить к закручиванию или искривлению доменной границы. В определенных условиях, например, при воздействии импульсного или статического магнитного поля определенной конфигурации, это "закручивающее" действие гиротропной силы может способствовать формированию устойчивых или короткоживущих спиральных доменов.

Выводы

1. Экспериментально наблюдались различные виды спиральных доменных структур (одиночные, парные, ансамбли) в пленках ферритов-гранатов.
2. Показано, что формирование спиральных доменов является следствием динамической неустойчивости концов полосовых доменов под действием высокочастотного магнитного поля.
3. Образование спиралей обусловлено минимизацией суммарной магнитной энергии системы (энергии стенки, магнитостатической энергии и энергии анизотропии).
4. Метод высокочастотной магнитооптики является эффективным для исследования динамики подобных магнитных структур.