Магнитоупругие волны. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитоупругие волны - волны, возникающие в магнитоупорядоченных кристаллах - ферро- и антиферромагнетиках - из-за связи между магн. и упругими свойствами вещества. Упругие волны, т. е. колебания ионов в кристаллич. решётке относительно положения равновесия, в магнитоупорядоченных кристаллах сопровождаются колебаниями спинов, а следовательно, и колебаниями их магн. моментов; в свою очередь колебания спинов, т. е. спиновые волны ,вызывают смещение ионов. T. о. появляется связь между фононной и спиновой, или магнитной, подсистемами. В M. в. изменение магн. параметров состояния (напр., намагниченности) связано с изменением упругих параметров (деформации, механич. напряжения). Возникновение M. в.- одно из проявлений магнитоупру-гого взаимодействия, к-рое в первом приближении можно описать магнитоупругой энергией единицы объёма вещества:

где

- тензор магнитоупругих констант, имеющий размерность плотности энергии, u_ik - тензор деформаций, M₀ - модуль вектора намагниченности, M_l/ M₀ и М_т/M₀ - направляющие косинусы вектора намагниченности. В ф-ле (1) суммирование осуществляется по дважды встречающимся индексам. Здесь рассматриваются только те колебания, в к-рых модуль вектора M₀ остаётся постоянным. Смешанная M. в., в к-рой переменными величинами являются как механические, так и магн. параметры состояния, т. е. и u_ik и M _{l , m}, наиб, ярко проявляется в области частот, где длина 'упругой волны оказывается близкой по величине к длине спиновой волны (магнитоакустич. резонанс). Дисперсионное соотношение для спиновой волны имеет вид

где g - магнитомеханическое отношение для электрона, А - обменная постоянная,

, H₀ - напряжённость внешнего постоянного магн. поля, .N - размагничивающий фактор, k - волновой исктор,

- угол между направлениями H₀ и k. Дисперсионные соотношения для продольной и поперечной упругих волн имеют вид

где с_l и c_t - скорости звука для продольной и поперечной упругих волн.

Особенности поведения M. в. можно рассмотреть на примере плоских волн, распространяющихся вдоль одного из рёбер решётки кубич. кристалла. Если внеш. магн. поле H₀ ориентировано вдоль направления распространения волн (Q =0), то при наличии магнитоупругой связи дисперсионные соотношения для продольной и поперечной волн примут вид

Здесь b - магнитоупругая константа,

- плотность вещества, M _s - намагниченность насыщения, (w_сп - значение w, соответствующее решению дисперсионного соотношения (2). В этом случае продольная часть фононно-го спектра оказывается не связанной с магн. подсистемой (кривая 1 на рис.), а для поперечных волн возможны два решения k₊ и k_, соответствующих двум знакам в соотношении (4).

Пересечение дисперсионных кривых поперечной упругой (кривая 2) и спиновой (кривая 3)волн происходит при значении волнового числа k = k₀, т. е.

При k << k₀ сплошная кривая 3-2 соответствует чисто спиновой волне, а кривая 2-3 - чисто поперечной упругой и обе волны распространяются со своими скоростями почти независимо друг от друга. При k >> k₀ кривая 3-2 соответствует упругой волне, а кривая 2-3 - спиновой и снова волны почти не зависят друг от друга. В области пересечения существуют две связанные M. в., описываемые соотношением (4). При k ~k₀ происходит расщепление дисперсионных кривых на две ветви с частотами

(масштаб кривых на рис. преднамеренно сильно искажён, т. к. обычно

При фиксиров. частоте

магнитоупругое взаимодействие обусловливает возможность появления двух волн с волновыми числами k₊ и k_, к-рые распространяются с разной скоростью. Это приводит к вращению плоскости поляризации линейно поляризованной сдвиговой волны. Угол

, на к-рый поворачивается плоскость поляризации в волне, прошедшей расстояние z, равен

M. в. могут использоваться для преобразования звуковой волны в спиновую и обратно. В таких материалах, как, напр., монокристаллы ферритов-гранатов, на частотах ~10⁹ Гц гораздо легче возбудить и принять спиновую волну, чем звуковую. Если образец феррита поместить в СВЧ-резонатор и возбудить в нём спиновую волну, то при наличии пост. магн. поля, неоднородного по пространству, по образцу побежит спиновая волна с переменным волновым числом k. При уменьшении напряжённости поля H в направлении распространения спиновой волны и при фиксиров. частоте w, задаваемой резонатором, величина k по мере распространения будет увеличиваться. Когда она достигнет значения k ~ k₀, спиновая волна вследствие магнитоупру-гого взаимодействия превратится в магнитоупругую, а при дальнейшем увеличении k -в чисто упругую волну. Дальнейшее уменьшение H уже не будет влиять на характер распространения упругой волны. При таком преобразовании скорость распространения волн изменяется, поскольку скорость упругой волны гораздо больше, чем скорость спиновой волны. Если, начиная с к--л. точки пространства, величина H возрастает и, следовательно, волновое число для спиновых волн уменьшается, то может произойти обратное преобразование звуковой волны в спиновую. T. о., создавая в образце неоднородное магн. поле, можно преобразовывать друг в друга упругие и спиновые волны и тем самым изменять скорость распространения и время прохождения сигнала по образцу.

Взаимодействие спиновых и упругих волн осуществляется на высоких УЗ- и гиперзвуковых частотах, поскольку область существования спиновых волн ограничена снизу частотами ~10⁸ Гц. Верх, граница для M. в. также определяется возможностью получения спиновых волн и составляет ~5·10¹⁰ Гц.

Наилучшим материалом для возбуждения M. в. являются ферриты, в частности монокристаллы железоит-триевого граната, обладающие высокой добротностью как магнитной, так и упругой подсистем. Эти кристаллы используются в акустоэлектронике для изготовления линий задержки сигналов СВЧ. Управляя посредством неоднородного магн. поля скоростью распространения сигнала (за счёт преобразования волн), можно создавать линии с переменным временем задержки, а используя усиление M. в., возникающее из-за нелинейности магнитоупругого взаимодействия, можно добиться значит, снижения потерь при распространении сигнала.

Литература по магнитоупругим волнам

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.