Магнитоакустические волны в легкоплоскостных ферромагнетиках

Жуков Е.А., Каминский А.В, Щербаков Ю.И.

Тихоокеанский государственный университет


Большое количество исследований посвящено волновым спектрам магнитных плёнок и пластин, которые используются в качестве элементов памяти, например, в ячейках МRАМ [1, 2]. Большую роль в формировании этих спектров играет динамическое взаимодействие между магнитной, электрической и акустической подсистемами, которое в реальных элементах происходит при влиянии ограничивающих поверхностей [3, 4]. Влияние поверхностей приводит к возникновению таких волн, как сдвиговые волны и другие. В работе [5] было показано, что внешнее магнитное поле может подавлять амплитуду изгибных волн Лэмба ферромагнитной пластины. Приобретенная дополнительная жесткость приводит к изменению закона дисперсии изгибных волн. При приближении к ориентационным фазовым переходам однородно намагниченная кристаллическая пластина может разбиваться на домены [6], в многослойных структурах возникают новые типы волн [7].

Ряд магнетиков оказывается прозрачным в видимом и ближнем ИК диапазонах света, что делает возможным использование оптических методов не только для записи, считывания и обработки информации, но и для исследований этих магнетиков. Особое место среди них занимают антиферромагнетики с небольшим скосом магнитных моментов подрешеток (слабые ферромагнетики). К последним относятся ортоферриты, борат железа, гематит и др. [8], ряд уникальных свойств которых, в частности, магнитооптических, делают их перспективными для применения в быстродействующих устройствах обработки информации. Эти кристаллы характеризуются сильной магнитоакустической связью, приводящей к нелинейности динамики доменных границ [8, 9] и нелинейности акустических волн [10], а также сверхбыстрой динамикой магнитной подсистемы [11].

В настоящей работе экспериментально исследованы волны Лэмба в пластинах бората железа FeBO₃ во внешнем магнитном поле. Использовались образцы в форме плоскопараллельных пластин толщиной около 100 мкм и поперечными размерами 2÷3 мм. Естественные грани пластин, совпадающие с базисной плоскостью, не подвергались механической обработке. Исследуемый образец бората железа FeBO₃ закреплен на поверхности пьезокерамической пластины (рис. 1). Для создания однородного в плоскости образца магнитного поля используется постоянный магнит с характерными размерами, значительно превышающими размеры образца. Магнит ориентирован таким образом что силовые линии его магнитного поля расположены в базисной плоскости образца бората железа. Магнит закреплен на подвижной опоре, так что существует возможность плавного изменения расстояния до исследуемого образц

Рис. 1. Схема эксперимента

1 - образец FeBO₃, 2 - пьезокерамика,

3 - постоянный магнит,

4 - He-Ne лазер, 5 - фотодиод
а и, соответственно, величины магнитного поля в его плоскости. Луч He-Ne лазера ЛГН – 223 – 1 (λ = 630 мкм) был сфокусирован на поверхности незакрепленной части образца, а отраженный от поверхности образца луч посредством отклоняющего зеркала был направлен на светочувствительную область фотодиода. В целях повышения чувствительности на базе фотодиодов ФД – 256 была собрана мостовая измерительная схема. Диафрагмирование лазерного луча, отраженного от поверхности образца, позволило повысить линейность преобразования колебаний образца в электрический сигнал измерительной схемы.

Для возбуждения колебаний к пьезокерамической пластине прикладывалось синусоидальное напряжение от низкочастотного генератора сигналов Г3 – 112 (U_m = 15 В). Этот сигнал, а также сигнал фотодиодной измерительной схемы подавались на входы запоминающего цифрового осциллографа Tektronix TDS5054B. Усреднение сигнала фотодиода снизило погрешность измерения параметров сигнала.

Н


а) б)

Рис. 2. Амплитудно-частотные (а) и фазо-частотные (б) характеристики

в полях H = 6,3 Э (1) и 556 Э (2).

а определенных частотах подаваемого на пьезокерамику напряжения наблюдалось резкое увеличение амплитуды колебаний пластины образца, что фиксировалось по сигналу фотодиода. Амплитуда колебаний возрастала на резонансных частотах, зависящих от геометрических размеров свободной части пластины образца. На рис. 2 приведены амплитудно-частотные (а) и фазо-частотные характеристики (б) изгибных колебаний, коллинеарных магнитному полю вблизи одной из резонансных частот