Cкачать - Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые

Статья поступила в редакцию 26.11.2011
2012.01.5
ФОТОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СЛАБОМ ФЕРРОМАГНЕТИКЕ БОРАТА ЖЕЛЕЗА
М.З.Шарипов, Б.Ю.Соколов, Д.Э.Хайитов,
М.Талабов, Ф.К.Халлоков
Бухарский инженерно-технический институт высоких технологий
e-mail: m.z.sharipov@rambler.ru
Магнитооптическим методом исследовано влияние неоднородных радиально направленных
механических напряжений на доменную структуру монокристалла FeBO3. Обсуждение
полученных результатов проведено в рамках термодинамической теории доменной структуры.
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что световое воздействие, как правило, приводит лишь к незначительному изменению
величин основных магнитных характеристик (восприимчивости, намагниченности, коэрцитивной силы и
т.п.) магнитоупорядоченных сред. Однако существует небольшое число магнетиков, у которых под
действием света появляются новые, отсутствующие без дополнительной засветки свойства. К этому типу
магнитоупорядоченных кристаллов относится борат железа (FeBO3), в котором помимо
фотоиндуцированного изменения магнитной восприимчивости, при облучении неполяризованным белым
светом возникает дополнительная одноосная магнитная анизотропия, направление оси которой задается
ориентацией вектора антиферромагнетизма в момент засветки кристалла, а также пространственно временная магнитная сверхструктура (эти эффекты обнаружены к кристаллах FeBO3, содержащих
примесь ионов Ni). Из существующей теории фотоиндуцированной модулированной магнитной
структуры (ММС) FeBO3: Ni следует, что к ее возбуждению приводит магнитоакустическое
взаимодействие между комплексами, образованными ионами Fe и Ni, и кристаллической матрицей,
которое в отсутствии засветки незначительно, но усиливается при поглощении света кристаллом. Эта
теория в принципе допускает возникновение ММС в допированном примесью кристалле FeBO3 и без
участия света, однако световое воздействие должно оказывать влияние на параметры модуляции
магнитного порядка кристалла.
Относительно недавно подобная ММС действительно была обнаружена в содержащем примесь
кристалле бората железа: в ряде экспериментов было показано, что при введении в состав FeBO3
диамагнитных ионов Mg в этом кристалле в области низких температур наблюдается ориентационный
фазовый переход из однородного магнитного состояния в пространственно модулированное. Целью
настоящей работы является исследование влияния светового воздействия на период и условия
существования ММС в слабоферромагнитном кристалле FeBO3: Mg. Обнаружение этого эффекта важно
не только с академической точки зрения, поскольку позволит уточнить и конкретизировать положения
существующей теории возникновения ММС, но и может представлять интерес для практического
использования фотостимулированного изменения основных параметров модуляции магнитного порядка
исследованного кристалла, в частности, в системах фотомагнитной записи, хранения и обработки
информации.
Обычно воздействие света на магнитоупорядоченные среды приводит лишь к незначительным
изменениям
их
макроскопических
магнитных
параметров
(намагниченности,
магнитной
восприимчивости, коэрцитивной силы и т.п.), имеющихся в отсутствии светового облучения. Однако
известны магнитные кристаллы, которые в процессе освещения проявляют новые свойства,
отсутствующие у них без светового воздействия. К ним можно отнести антиферромагнетик MgF2, в
котором под действием света возникает ферромагнитное упорядочение; слабый ферромагнетик FeBO3, в
котором свет индуцирует дополнительную одноосную магнитную анизотропию, направление оси которой
задается ориентацией магнитного момента в момент освещения кристалла, ферромагнетик EuCrO3, где
мощная оптическая накачка приводит к ориентационному магнитному фазовому переходу. Особый
интерес вызывает кристалл FeBO3, легированный никелем (FeBO3: Ni), в котором было обнаружено
принципиально новое явление – формирование под действием света пространственно – временной
магнитной сверхструктуры [1]. Сущность этого явления заключается в том, что в процессе освещения
кристалла неполяризованным белым светом происходит возбуждение волн намагниченности,
25
М.З.Шарипов, Б.Ю.Соколов, Д.Э.Хайитов,
М.Талабов, Ф.К.Халлоков
распространяющихся в базисной плоскости вдоль направлений, нормальных осям симметрии второго
порядка. Вопросы, затронутые данным экспериментом, сводятся к пониманию физического механизма
низкочастотного возбуждения магнитной подсистемы кристалла при наложении на нее оптического
возмущения с частотой, много большей собственных частот колебаний этой подсистемы.
Описание этого явления основывается на термодинамической теории перехода кристалла в
модулированную магнитную фазу, в которой азимут локального вектора антиферромагнетизма
(ферромагнетизма) испытывает пространственные осцилляции. Из существующей теории
фотоиндуцированной модулированной магнитной структуры (ММС) FeBO3: Ni следует, что к ее
возбуждению приводит магнитоакустическое взаимодействие между комплексами, образованными
ионами Fe и Ni, и кристаллической матрицей, которое в отсутствии засветки незначительно, но
усиливается при поглощении света кристаллом. Эта теория в принципе допускает возникновение ММС в
допированном примесью кристалле FeBO3 и без участия света, однако световое воздействие должно
изменять параметры реализующейся ММС.
Относительно недавно в [2] было обнаружено, что при введении в состав FeBO3 диамагнитных
ионов Mg в этом кристалле в области низких температур наблюдается ориентационный фазовый переход
из однородного магнитного состояния в пространственно модулированное, однако влияние
дополнительной засветки на модуляцию магнитного порядка этого кристалла до настоящего времени не
изучалось. Поэтому данная работа имеет целью исследование влияния светового воздействия на
параметры и условия возбуждения и существования ММС слабоферромагнитного кристалла FeBO3:Mg;
выяснение основных микроскопических механизмов, ответственных за фотостимулированное изменение
модуляции магнитного параметра порядка; уточнение и конкретизацию существующих модельных
представлений о физических причинах фотомагнитных явлений в слабых ферромагнетиках.
II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Традиционно для исследований модулированных магнитных структур используется метод
дифракции нейтронов [3] - метод дорогостоящий и практически недоступный большинству
исследователей. Кроме того, нейтроннографический метод – не прямой, в том смысле, что для получения
информации об основных параметрах модуляции магнитного порядка среды требуется расшифровка
нейтроннограмм, допускающая неоднозначность интерпретации результатов экспериментов.
Обнаруженные нами модулированные магнитные структуры в кристаллах α - Fe2O3 и FeBO3 наблюдались
магнитооптическим методом. Магнитооптическая методика исследования магнитной неоднородности
слабых ферромагнетиков подробно описана в [4]. Модулированная магнитная структура визуально
наблюдалась в виде системы чередующихся светлых и темных полос с размытыми границами с
пространственным периодом ∼ 50 мкм. Простота реализации магнитооптического способа изучения
магнитной неоднородности кристалла, а также наглядность и оперативность получаемой информации
выгодно отличают магнитооптический метод от нейтротннографического.
Наблюдение модулированной магнитной структуры исследуемых кристаллов осуществлялось при
помощи поляризационного микроскопа, снабженного фотоприставкой и электронно – оптическим
преобразователем. Исследования проводились на краях окон прозрачности гематита и бората железа (в
области длин волн λ ∼ 1,1 мкм и ∼ 0,52 мкм соответственно) «на просвет» при нормальном падении света
на плоскость образца в скрещенной геометрии осей пропускания системы поляризатор – анализатор.
Изображения исследуемых образцов получаются с использованием цифровой фотокамеры и наблюдаются
на экране монитора компьютера. Состыковка фотокамеры с компьютером позволяет проводить
оперативную оцифровку и обработку получаемых изображений.
Внешнее магнитное поле Н, используемое для изучения процесса намагничивания образцов,
создавалось двумя парами скрещенных катушек Гельмгольца и прикладывалось в базисной плоскости
кристаллов. Система намагничивания позволяет ориентировать вектор поля Н вдоль любого направления
в базисной плоскости образца при заданном значенииН. Исследуемые образцы размещаются в
оптическом криостате, позволяющем проводить исследования в температурной области от 80 до 295 К.
Поскольку известно, что величина магнитооптических эффектов в слабых ферромагнетиках
существенно зависит от ориентации намагниченности в базисной плоскости, была проанализирована
взаимосвязь между азимутальным углом вектора ферромагнетизма m и изменением интенсивности света,
прошедшего систему поляризатор – образец – анализатор, вызванным основными магнитооптическими
эффектами. Используя формализм матриц Джонса (матрица Джонса для ромбоэдрических слабых
ферромагнетиков получена в [5], можно представить (с точностью до линейных по магнитооптическим
коэффициентам слагаемых) выражение для интенсивности света, прошедшего систему поляризатор –
образец – анализатор (формирующего изображение кристалла), в виде:
26
Ферромагнитные явления в слабом
ферромагнетике бората железа
I(ϕ) ≈ I0 [ cos2(φ - ψ) + Q(δ) sin ϕ + R cos 3(ϕ + ϕ0) + S sin 2(ϕ + ϕ1)], (1)
где I0 -интенсивность света, падающего на образец; φ,ψ - соответственно азимуты анализатора и
поляризатора относительно Х – оси лабораторной системы координат (направление света совпадает с Z –
осью); ϕ - азимут вектора ферромагнетизма относительно той же оси в плоскости, перпендикулярной
направлению распространения света; Q(δ), R – магнитооптические константы, характеризующие эффект
Фарадея, а S – магнитный линейный дихроизм; ϕ0 – угол между направлением Х –оси и С2 – осью
кристалла; ϕ1 = φ/2 + ψ/2 + ϕ0.
Как видно из (1), если локальные области кристалла различаются величиной магнитооптических
эффектов, то эти области будут отличаться и яркостью получаемого изображения, что позволяет
визуально изучать магнитные неоднородности кристалла. Таким образом, из анализа локальных
характеристик светового потока на выходе системы поляризатор – образец – анализатор на основе (1)
можно судить о пространственных вариациях магнитного параметра порядка кристалла, положив угол ϕ
функцией координат.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
Для описания возникающих магнитных сверхструктур использовалась феноменологическая теория
перехода магнитоупорядоченной среды из однородного в неоднородное магнитное состояние [6].
Поскольку, согласно эксперименту, в базисной плоскости исследованных кристаллов имеется три
направления, вблизи которых возникает модулированная магнитная структура, для определенности
направим внешнее поле Н вдоль одного из этих направлений, которое примем за ось X. Положим, что
вклады в плотность термодинамического потенциала кристалла от слабоферромагнитного момента
незначительны, и он определяется лишь компонентами вектора антиферромагнетизма. Тогда, выбрав в
качестве формального параметра порядка малый угол β, характеризующий отклонение локального
вектора антиферромагнетизма l от оси Y (Y||C2, Z C3), термодинамический потенциал кристалла можно
представить в виде инвариантного разложения по степеням параметра порядка:
Φ(β) = ∫ [ - ½ Aβ2 + ¼ Bβ4 + ½ α(β′)2 + ¼ γ(β′′)2 + mhβ + ½ µlh(β′)2 + … ] dy . (2)
Здесь А,В,α,γ,µ - независящие от Н параметры, а штрихи при β означают соответствующую
производную по аргументу.
Внешнее магнитное поле в (2) учтено двумя разрешенными симметрией слагаемыми: первое из
них - mhβ = mMHβ, где М – подрешеточный момент – представляет собой зеемановский вклад в энергию
кристалла; второе – ½ µlh(β′)2 - инвариантно к инверсии пространства и времени. Сконструированный
функционал Ф отличается от используемого в [7] только добавлением этого последнего слагаемого,
которое учитывает наличие случайного поля, связанного с наличием примесей, и перенормирует
коэффициент при квадрате первой производной, делая его зависящим от Н.
Фазовый переход из однородного в модулированное магнитное состояние произойдет когда
коэффициент при квадрате первой производной в (2) станет меньше нуля. Т.е. в поле h > α ⁄µl будет
индуцировано модулированное магнитное состояние кристалла, при этом функционал (2)
минимизируется функцией типа [7]:
β(y) ≈ β0 + η cos k0y .
Таким образом, согласно рассмотренной модели, при наложении внешнего магнитного поля в
базисной плоскости ромбоэдрического слабого ферромагнетика вдоль трудной оси намагничивания в
поле с критическим значением α /µl происходит фазовый переход из однородного магнитного состояния в
модулированное. Ось, вдоль которой возникает модуляция, ориентирована по направлению Н, а
магнитная сверхструктура представима в виде рипплонной фазы, в которой на фоне постоянного
отклонения от заданной оси намагничивания азимут локального вектора антиферромагнетизма
(ферромагнетизма) испытывает осцилляции с периодом d = 2π/k0.
Можно показать, что в полях, близких к критическому, характеристики возникающего
неоднородного магнитного состояния будут вести себя следующим образом:
k02 = α + µlh/2γ , β0 = 4γh / M(α + µlh)2,
η2 = 1/3 B[ A + (α + µlh) /4γ - 48γ2h2B /M2(α +µlh)4 ].
Отсюда видно, что полученное для волнового вектора модулированной структуры k0 выражение, по
крайней мере, качественно описывает экспериментально наблюдаемое уменьшение с ростом Н
пространственного периода магнитной сверхструктуры.
Как видно из полученных соотношений, поскольку параметры А,В,α,γ,µ характеризуют основные
взаимодействия, определяющие вид магнитного упорядочения кристалла, то световое воздействие (в силу
27
М.З.Шарипов, Б.Ю.Соколов, Д.Э.Хайитов,
М.Талабов, Ф.К.Халлоков
существующей теоретической модели) должно изменять их величину, и как следствие, - изменять
параметры ММС и условия ее устойчивого состояния.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Данные исследования позволят лучше понять физическую природу влияния света на основные
параметры модулированного магнитного состояния кристалла, что актуально не только для физики
магнитного состояния, но и для теории фазовых переходов немагнитных сред (сегнетоэлектрики,
сверхпроводники и т.п.) из состояния с однородным параметром порядка в модулированное состояние.
С практической точки зрения фотостимулированное изменение модулированного магнитного
состояния среды может быть полезно прежде всего для уплотнения магнитной записи информации, а
также при создании фотомагнитных приборов и устройств, где необходимо целенаправлено изменять (при
помощи магнитного поля и внешней засветки) локальные магнитные характеристики среды. Поскольку
параметры обнаруженной в FeBO3:Mg магнитной сверхструктуры зависят от предыстории ее
возникновения, такое состояние кристалла можно использовать для создания элементов памяти и
обработки информации, управляемых с помощью света.
Список литературы
1. Ю.М. Федоров и др. // ЖЭТФ, 1987, т.93, в. 6(12), с. 2247-2256
2. Б.Ю. Соколов. // ЖЭТФ, 2004, т.126, в.2(8), с. 467- 478
3. Изюмов Ю.А. // УФН, 1984, т.144, в.3, с.439
4. С.Р. Бойдедаев, Д.Р. Джураев, Б.Ю. Соколов, М.З. Шарипов. Магнитооптический метод
исследования пространственной магнитной неоднородности легкоплоскостных антиферромагнетиков со
слабым ферромагнетизмом. // Опт. и спектр., 2008, т. 104, №4, с. 670 –676
5. Федоров Ю.М. и др. // ФТТ, 1984, т.26, в.1, с.220.
6. Michelson A.// Phys.Rev.B, 1977, v.16, №1, p.585, Дикштейн И.Е. и др. // ФТТ, 1983, т.25, в.9, с.
2545
7. Дикштейн И.Е. и др. // ФТТ, 1983, т.25, в.9, с. 2545
1.
28