НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР ім.Б.І.ВЄРКІНА

БІБІК Олександр Володимирович

УДК 537.632; 537.632.5;

537.638.215; 537.622.5;

537.624.8

МАГНІТООПТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НЕЦЕНТРОАНТИСИМЕТРИЧНИХ

АНТИФЕРОМАГНЕТИКІВ.

01.04.11 – Магнетизм.

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

фізико-математичних наук.

Харків-2001р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім.Б.І.Вєркіна НАН України, м. Харків.

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор ХАРЧЕНКО Микола Федорович,

ФТІНТ ім.Б.І.Вєркіна НАН України, керівник відділу "Оптичні і магнітні властивості твердих тіл"

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Іванов Борис Олексійович, Інститут магнетизму НАН України, головний науковий співробітник;

доктор фізико-математичних наук Хацько Євген Миколайович, Фізико-технічний інститут низьких температур ім.Б.І.Вєркіна НАН України, провідний науковий співробітник.

Провідна установа:

Харківський Національний університет ім. В.Н.Каразіна, Фізичний факультет, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться “23” жовтня 2001р. о 15-00 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 64.175.02. при ФТІНТ ім. Б.І.Вєркіна НАН України за адресою: 61103, м.Харків, пр. Леніна, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України за адресою: 61103, м.Харків, пр. Леніна, 47.

Автореферат розіслано “21” вересня 2001р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради,

доктор фіз.-мат. наук О.С. Ковальов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Всі проведені в дисертаційній роботі дослідження спрямовані на виявлення і застосування властивостей таких представників магнітовпорядкованих кристалів, які не є симетричними стосовно дії операції антиінверсії – інверсії просторових координат і часу. До цієї сім'ї магнетиків належить 31 клас феромагнітних і 38 класів антиферомагнітних (АФМ) кристалів. Об'єднані відсутністю операції антиінверсії, всі ці магнетики мають загальну назву – нецентроантисиметричні (НЦАС) кристали і вирізняються серед інших магнетиків тим, що вони можуть мати специфічні фізичні властивості. Такими є п'єзомагнітний ефект, квадратичне по магнітному полю намагнічування, ряд магнітоакустичних ефектів і нетрадиційні ефекти лінійної і нелінійної магнітооптики. Всі ці властивості можуть бути ефективними інструментами для вивчення магнітного середовища, хоч деякі з них ще не виявлені експериментально до цього часу. Дослідження, що були проведені при виконанні дисертаційної роботи стосуються проблеми виявлення нового магнітооптичного ефекту - квадратичної магнітної гірації, що, перш за все, і визначає актуальність цієї роботи.

Крім того, значну частину дисертаційної роботи становлять результати досліджень властивостей колінеарних (time reversed) АФМ доменів і доменних стінок. Проблема доменів в антиферомагнетиках поставлена у фізиці кілька десятків років тому, але набула особливої актуальності у зв'язку із розвитком фізики низьковимірних магнетиків і штучних магнітних наноструктур. Інтерес прикладної фізики до магнітних доменів визначається їх застосуванням як носіїв інформації. Нещодавно виявлені оптичні і магнітні властивості НЦАС антиферомагнетиків дають можливість не тільки візуалізувати колінеарні АФМ домени, а й цілеспрямовано їх створювати. Внаслідок цього виникає питання про використання АФМ доменів у практиці при розробці різноманітних пристроїв в сучасній техніці, зокрема – для запису і збереження інформації. Крім того, існує науковий інтерес до АФМ доменів, що випливає з необхідності одержання магнітооднорідних зразків НЦАС АФМ кристалів при дослідженні їх фізичних властивостей, чутливих до напрямку АФМ вектора. Тому стає важливим питання про механізми та закономірності взаємодії АФМ доменної стінки з дефектами кристала, що було вивчено в роботі при дослідженні процесів монодоменізації і перемагнічування АФМ кристалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана у відділі "Оптичні і магнітні властивості твердих тіл" Фізико-технічного інституту низьких температур імені Б.І.Вєркіна НАН України в рамках тематичного плану досліджень ФТІНТ НАНУ за темами: “Експериментальне і теоретичне дослідження магнітовпорядкованих структур та їх динаміки” (д.р.№ 01.86.0031282); “Експериментальне і теоретичне вивчення термодинамічних, кінетичних і високочастотних властивостей магнітних систем і їх динаміки” (д.р.№ 0195U009860); “Статичні і динамічні властивості магнітоконцентрованих систем” (д.р.№ 0196U002953), а також в рамках проекту Державного комітету України з питань науки і технологій і Державного фонду фундаментальних досліджень “Магнітооптичні дослідження колінеарних доменів в антиферомагнітних кристалах“ (проект № 23/600).

Мета і задачі дослідження

Основною метою роботи було експериментальне виявлення, дослідження і використання нового магнітооптичного ефекту – квадратичної магнітної гірації, що в прозорості проявляється як магнітне обертання площини поляризації світла, пропорційне квадрату напруженості магнітного поля, а при поглинанні – як парний магнітний циркулярний дихроїзм. Висновки симетрійного аналізу, що передував пошуку цього ефекту, прогнозували його існування в магнітовпорядкованих кристалах НЦАС класів. Додатковою метою було застосування ефекту квадратичного магнітного обертання та іншого нетрадиційного ефекту – лінійного магнітооптичного ефекту для вивчення поведінки й механізмів утворення АФМ доменів в магнітному полі та дослідження коерцитивності АФМ доменних стінок в колінеарних АФМ кристалах.

Для досягнення мети дисертаційної роботи необхідно було вирішити наступні завдання:

·

· провести пошукові експерименти з виявлення ефектів квадратичної магнітної гірації – обертання площини поляризації світла і циркулярного дихроїзму, що пропорційні квадрату напруженості магнітного поля, в АФМ сполуках 3d-елементів;

· в разі успішних результатів названих пошукових експериментів дослідити ефект квадратичного магнітного обертання в кристалах СоF2, FеF2 та Ca3Mn2Ge3O12 залежно від температури і орієнтації вектора магнітного поля;

· одержати спектри циркулярного магнітного дихроїзму в кристалі СоF2 в області d-d електронних переходів у геометріях Фарадея (k//H) та Фойгта (k^H);

· використовуючи анізотропні властивості ефектів квадратичного магнітного обертання площини поляризації світла і лінійного магнітооптичного ефекту провести експерименти, спрямовані на перевірку симетрії магнітних станів складного багатопідграткового АФМ кристала Ca3Mn2Ge3O12;

· за допомогою магнітооптичних ефектів візуально вивчити особливості поведінки АФМ доменів у фториді кобальту залежно від температури, одноосьової механічної напруги, орієнтації і величини магнітного поля;

· вивчити коерцитивність АФМ доменної стінки в СоF2 при температурах від 2К до TN.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Експериментально виявлено і досліджено новий магнітооптичний ефект – ефект квадратичної магнітної гірації, що в прозорості кристала проявляється як квадратичне за напруженістю магнітного поля обертання площини поляризації світла, а в поглинанні – як квадратичний магнітний циркулярний дихроїзм. Дослідження проведені на класичних представниках антиферомагнетиків НЦАС класів кристалів – скомпенсованих антиферомагнетиках: СоF2, FеF2 та Ca3Mn2Ge3O12. Вперше одержано температурні залежності квадратичного магнітного обертання площини поляризації світла в кристалах СоF2 і FeF2.

2. Вперше досліджено залежності квадратичного магнітного обертання площини поляризації світла від орієнтації магнітного поля і магнітної передісторії зразка в кристалі Ca3Mn2Ge3O12 і виявлено нові стани цього складного багатопідґраткового АФМ кристала, встановлено закономірності його переходу з одного стану в інший під впливом магнітного поля і температури та зроблено висновки про можливу симетрію цих станів.

3. Вперше на прикладі СоF2 і FeF2 проведено систематичне дослідження перемагнічування АФМ кристалів за допомогою спільної дії механічної деформації і магнітного поля та лише магнітного поля. Виявлено низку закономірностей утворення колінеарних АФМ доменів в кристалах СоF2 та Ca3Mn2Ge3O12.

4. Вперше розроблено магнітооптичний метод експериментального дослідження коерцитивності АФМ доменної стінки і одержано та проаналізовано температурну залежність енергії коерцитивності стінки в кристалі СоF2. Виявлено, що в коерцитивність АФМ стінки в СоF2 вносить суттєвий внесок взаємодія, зумовлена енергетичними бар'єрами Пайєрлса, що походять від дискретної будови кристала у випадку вузьких доменних стінок, які властиві СоF2 завдяки його сильній магнітній анізотропії.

Наведені в роботі результати розкривають механізми нових магнітооптичних ефектів і демонструють можливість їхнього застосування для вивчення симетрії магнітної структури магнетиків, для вивчення властивостей структур колінеарних АФМ доменів, процесів підґраткового перемагнічування антиферомагнетиків та коерцитивності АФМ доменних стінок. Цим визначається їхня наукова новизна і значимість.

Практичне значення одержаних результатів

Наукові результати дисертації роблять внесок у розвиток методів магнітооптичних досліджень антиферомагнетиків, доповнюючи їх новим магнітооптичним ефектом – квадратичною магнітною гірацією, що значно збільшує можливості експериментальних досліджень магнітовпорядкованих кристалів. На прикладі граната Ca3Mn2Ge3O12 продемонстровано можливості нового ефекту для встановлення магнітної симетрії антиферомагнетиків НЦАС класів симетрії. Дослідження поведінки АФМ доменів в CoF2 дали нову інформацію про механізми виникнення і стабілізації АФМ доменних структур. Ця інформація може бути використана при застосуванні АФМ матеріалів як носіїв інформації в пристроях запису і збереження інформації та в оптоелектроніці.

Особистий внесок здобувача

Здобувач брав участь у дослідженнях на всіх їхніх етапах: при постановці задач пошукових експериментів, обговоренні їх результатів і написанні статей. Здобувач розробив і виготовив необхідний для досягнення мети роботи фотопружний модулятор з поліпшеними властивостями, модернізував кріостат, доповнивши його конструкцію пристроями для створення механічної напруги у зразку та системою надпровідних соленоїдів, які давали можливість плавно змінювати орієнтацію магнітного поля. Здобувач підготував і провів всі експерименти, необхідні для успішного розв'язання поставлених у роботі задач. Отримані експериментальні результати він опрацював математично.

Апробація результатів дисертації

Результати роботи пройшли апробацію на наступних конференціях і нарадах:

·

· Всесоюзній конференції з фізики магнітних явищ, Tула, 1983, 1985, 1988 р.р.;

· Всесоюзному симпозіумі "Новые магнитные материалы в микроэлектронике", Рига, 1986 р.;

· Всесоюзній конференції з фізики низьких температур, Тбілісі, 1986, 1988 р.р.;

· Четвертій міжнародній конференції з фізики магнітних матеріалів, - Польща, 1988 р.;

· Міжнародній конференції MMM'90, Сан-Дієго, США. –1990 р.;

· Українській науково-технічній школі "Параметрична кристалооптика і її застосування", Львів, 1990 р.;

· Міжнародному симпозіумі з магнітооптичного запису, Noordwijkerhout, 1996 р.

Публікації

Результати дисертації опубліковано в 19 друкованих працях, зокрема в 5 статтях в наукових фізичних журналах і в 14 тезах доповідей на міжнародних і всеукраїнських конференціях, перелік яких наведений у заключній частині автореферату.

Структура й обсяг дисертації

Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку цитованої літератури з 76 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 143 сторінки, основна частина - 128 сторінок. Робота містить 45 рисунків і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, вказано особистий внесок здобувача.

В першому розділі, що носить оглядовий характер, на підставі даних із літературних джерел проводиться симетрійний аналіз "заборонених" магнітооптичних ефектів і формулюються передумови до пошуку і виявлення нового магнітооптичного ефекту – квадратичної магнітної гірації (КМГ). В прозорості квадратична магнітна гірація проявляє себе як магнітне обертання площини поляризації світла, що пропорційне квадрату напруженості магнітного поля, і тому має назву – квадратичне магнітне обертання (КМО), або квадратичний ефект Фарадея [1]. При поглинанні квадратична магнітна гірація виявляє себе як парний магнітний циркулярний дихроїзм. Ефект може спостерігатися в магнітовпорядкованих середовищах, несиметричних щодо операції антиінверсії [1,2,3]. Ця умова випливає з узагальнених на магнітовпорядковані середовища співвідношень Онсагера для кінетичних коефіцієнтів [4]. Якщо середовище при магнітному впорядкуванні втрачає операцію антиінверсії, то в ньому знімається заборона на парну залежність від напруженості магнітного поля антисиметричних компонент діелектричного тензора, які описують ефекти гірації: . Відсутність операції антиінверсії серед набору операторів симетрії точкової магнітної групи класичних представниках АФМ діелектриків - колінеарних двопідґраткових кристалах CoF2, FeF2, MnF2 складає передумови до пошуку в них КМГ. Простота кристаломагнітної структури фторидів робить ці об'єкти класичними і дозволяє спостерігати досліджуваний ефект в чистому вигляді, не завуальованому ефектом Фарадея та магнітним лінійним двозаломленням світла.

Через те, що КМГ має різні знаки в колінеарних АФМ доменах, які різняться між собою протилежними напрямками АФМ векторів, для проведення дослідів необхідно було приготувати однорідний (монодоменний) АФМ зразок. У зв'язку з цим в роботі звертається особлива увага на проблему монодоменізації і перемагнічування підґраток АФМ кристалів. Тому в другій частині розділу обговорюються механізми перемагнічування АФМ доменів у кристалах НЦАС класів. Знову ж завдяки відсутності операції антиінверсії АФМ кристали цих НЦАС класів мають нетривіальні особливості своїх магнітних властивостей. Такими є п'єзомагнетизм [5], слабкий феромагнетизм [6] та ефект квадратичного намагнічування [7]. Одновісно напружений в певній геометрії п'єзомагнітний антиферомагнетик в магнітному полі може мати різну магнітну енергію в станах з протилежними напрямками АФМ вектора. Ця можливість наочно продемонстрована на прикладі АФМ кристала CoF2 в роботі [5]. Кристали CoF2, FeF2 та MnF2 мають структуру типу рутилу і точкову магнітну групу симетрії 4/mmm. Всі вони належать до класу НЦАС кристалів і у них теж дозволені ефекти п'єзомагнетизму і квадратичного намагнічування. Виходячи з симетрійного аналізу, для CoF2, FeF2 та MnF2 енергетична нееквівалентність АФМ доменів може бути створена в першому випадку в магнітному полі, спрямованому вздовж [001] в комбінації з пружною деформацією зразка вздовж [110], або в другому – лише в магнітному полі, яке нахилене так, щоб були всі три проекції поля на кристалографічні осі. Різниця в енергіях для першого випадку є , для другого - . Ця різниця в енергіях може викликати рух АФМ доменної стінки, або привести до створення зародку нового АФМ домена і, як наслідок цього, - перемагнічування і монодоменізацію скомпенсованого АФМ кристала.

В другому розділі описані методичні й технічні особливості проведених досліджень. Спеціально для проведення прецизійних магнітооптичних вимірювань розроблені і виготовлені нетривіальні пристрої. Було виготовлено оптичний кріостат без “холодних” вікон із “схрещеними” надпровідними соленоїдами і пристроєм для механічного стискання зразків з можливістю зміни температури зразків від 2К до 300 К та кварцовий модулятор поляризації світла, заснований на явищі фотопружності, з поліпшеними властивостями й оригінальним способом стабілізації і керування амплітудою модуляції. В розділі описано спосіб візуалізації АФМ доменів [8], що ґрунтується на лінійному магнітооптичному ефекті [3,9] і КМО, а також описані техніка і методика виготовлення зразків.

В третьому розділі подано результати експериментального виявлення і дослідження квадратичного за напруженістю магнітного поля обертання площини поляризації світла і парного циркулярного дихроїзму в тетрагональних антиферомагнетиках CoF2 і FeF2. Результатами цієї частини роботи є визначені магнітооптичні константи названих сполук, які одержано при різних температурах зразка.

Рис.1. Польова залежність КМО в зразку СоF2, t=0,46мм, l=633нм, Т=15К Рис.2. Температурні залежності КМО для кристалів СoF2 і FeF2. Лінії – ефективне поле на магнітному іоні для FeF2 [10], і підґраткова намагніченість для СoF2 [11].

На рис.1 показана залежність кута повороту площини поляризації лінійно поляризованого світла (l=633 нм) в зразку CoF2 при геометрії дослідів k || C4, в полі H || [110]. Експериментальні точки у верхній і нижній напівплощинах відповідають двом монодоменним станам, що різняться між собою протилежними напрямками АФМ векторів. Лінії на рис.1 – параболи, які побудовані за законом F±BH2)t. Експеримент добре узгоджується з теоретичним передбаченням. На рисунку можна бачити, що єкспериментальна залежність КМО від напруженості магнітного поля співпадає із параболами, тобто має квадратичний закон і знак ефекту змінюється при зміні напрямку АФМ вектора в кристалі на протилежний. Одержані значення сталих питомого КМО такі: В=1,3Ч10-2 град/смЧкЭ2 для CoF2 та В=7Ч10-4 град/смЧкЭ2 для FeF2 для l=633 нм і Т=2К.

На рис.2 подано дані вимірів температурних залежностей питомого КМО для CoF2 і FeF2, що порівнюються з температурними залежностями наведеної величини підґраткової намагніченості кристалів, одержаних в нейтронно-дифракційних [11] та мессбаверівських [10] експериментах. Як і очікувалось, ефект відсутній при температурі ТN і вище неї. Виходячи з феноменологічного опису поведінки магнітних векторів M і L в магнітному полі Н^4Z, можна записати загальний вираз для магнітної гірації в АФМ фторидах: . Тільки при обмеженні цього виразу першим членом можна очікувати простого лінійного зв'язку між КМГ та спонтанною намагніченістю підґраток при умові c^”Const. Суттєве відхилення між експериментальними точками і даними про намагніченість підґраток свідчить про значну роль інших механізмів виникнення КМО.

Рис.3. Спектри МЦД СoF2 в області переходів при різних напрямках АФМ векторів L.

Цікавими є питання про співвідношення між нормованими на намагніченість магнітооптичними сталими КМГ і ефекту лінійної магнітної гірації. Відсутність пропорційності між ними ілюструється співставленням спектрів на рис.3 магнітного циркулярного дихроїзму, одержаних в повздовжній (фарадеєвій) геометрії k//H i в поперечній геометрії k^H. На рис.3 видно, що ці спектри суттєво різні. В цьому ж розділі продемонстрована ще одна принципова можливість візуалізації АФМ доменів за допомогою ефекту КМО.

В четвертому розділі досвід дослідження КМО використовується для вивчення набагато більш складної сполуки – багатопідґраткового АФМ граната Ca3Mn2Ge3O12. Магнітна підгратка цього кристала збудована з ян-теллерівських іонів Mn3+. При температурі ТЯ-Т =  К в гранаті відбувається феридисторсійне впорядкування ян-теллерівських спотворень лігандних октаедрів і симетрія цього кристала знижується від кубічної m3m до тетрагональної [12]. При ТN = ,5 К впорядковуються магнітні моменти іонів Mn3+, утворюючи багатопідґраткову скомпенсовану АФМ структуру. Питання про точкову магнітну групу симетрії цього кристала в АФМ стані досліджувалось багатьма авторами [13,14] і ще дотепер існують деякі суперечності. Виявлений у цьому кристалі ефект КМО підтверджує відсутність в ньому операції антиінверсії. На рис.4 подано залежність кута повороту площини поляризації світла в двох колінеарних АФМ доменах від струму в соленоїді, що створює поперечно орієнтоване магнітне поле. Так само, як і у випадку фторидів, чітко видно квадратичний характер залежності і протилежні знаки ефекту в двох станах кристала, які відрізняються протилежними напрямками орієнтації АФМ вектора.

Рис.4. Запис амплітуди перемінного сигналу, пропорційного куту повороту площини поляризації Ф, залежно від струму через поперечний соленоїд (для геометрії Н=Нx, Нy=0).

При вимірах азимутальних залежностей КМО одержані результати, які дають нову інформацію про магнітні стани кристала. На рис.5 подано результати вимірів КМО в Ca3Mn2Ge3O12 гранаті при різних напрямках магнітного поля в площині, яка перпендикулярна тетрагональній осі. Чотири групи експериментальних точок, що вкладаються на дві пари кривих типу Ф1=±4,3Чsin2j (мін/кЭ2Чсм) і Ф2=±1,7Чcos2j (мін/кЭ2Чсм), відповідають чотирьом різним АФМ станам. Стани відрізняються за умовами приготування. Так, одна пара станів з позначками на рисунку afm[100] або afm[100] була одержана в нахиленому магнітному полі з орієнтацією Н=(НX,0,НZ) або Н=(0,НY,НZ), а інша, з позначками afm[110] або afm[110], була отримана в полі Н=(±НX, ±НY,НZ).

Рис.5 Величина КМО для двох пар АФМ монодоменних станів CaMnGe залежно від напрямку магнітного поля в площині (001), t=0,08мм, Т=6К, l=633нм, Н^=9,3кЭ.

На рис.5 добре видно різницю амплітудних значень ефектів і, що особливо важливо, - зсув на кут 45° азимутальних залежностей, одержаних при різних станах зразка. Подібні чотири залежності виявлені для лінійного магнітооптичного ефекту (подані на іншому рисунку у дисертації). Спостерігається чітке положення нульових і екстремальних значень КМО та лінійного магнітооптичного ефекту, що відповідають орієнтаціям поля вздовж напрямків типу [100] та [110]. Цей факт дозволяє зробити висновок, що елементи симетрії кубічного гранату, які зв'язані з цими напрямками, зберігаються і після переходу Яна-Теллера в тетрагональну фазу та симетрія кристала в магнітному полі має бути орторомбічна. Тобто без поля вона повинна описуватись магнітними точковими класами Лауе 422 – для однієї пари станів і 422 – для іншої. Всі чотири однорідних АФМ стани можуть співіснувати в кристалі у вигляді доменів, розділених магнітною стінкою.

В п'ятому розділі подано результати дослідження властивостей АФМ доменів в CoF2. Можливість магнітооптичної візуалізації АФМ доменів [8] в АФМ кристалах НЦАС класів дозволяє прямо спостерігати доменні структури та вивчати впливи різних чинників на їх поведінку. На рис.6 фотографії ілюструють, як при перемагнічуванні кристала положення АФМ домена зафіксувалося кристалічним дефектом, навколо якого можна побачити хрестоподібну неоднорідно напружену ділянку кристала, що візуалізується завдяки явищу фотопружності.

Рис.6. Взаємодія АФМ доменної стінки з крупним кристалічним дефектом в зразку CoF2. Розміри фотографій кристала 1ґ1 мм.

В роботі вивчені закономірності процесів монодоменізації і перемагнічування двопідґраткових АФМ кристалів фторидів кобальту і заліза при впливі на їх доменний стан комбінації одноосьового механічного стискування вздовж [110] і магнітного поля вздовж [001], або при дії нахиленого магнітного поля, що лежить у площині (110) під кутом до осі Z. Візуальний контроль здійснювався за допомогою лінійного магнітооптичного ефекту і в деяких випадках – ефекту КМО. На рис.7 подано добірку фотографій доменних структур, що змінюються під впливом магнітного поля. Невигідний домен зменшується і зникає при збільшенні H^  від 3кЭ (фото 1) до 4кЭфото 4) при постійній компоненті поля Hz=20кЭ. На фото видно характерні пелюсткові домени, що утворилися на початку перемагнічування поблизу поверхонь зразка. Після проростання цих доменів по всій товщині зразка вздовж осі Z перемагнічування йде досить плоским фронтом, який намагається зорієнтуватися вздовж осі Z.

Рис.7. Еволюція АФМ доменної структури CoF2 в полі (Hx=Hy,Hz). Розміри фотографій кристала 2ґ2 мм.

На рис.8 наведено залежності амплітуди електричного сигналу, пропорційного двозаломленню лінійно поляризованого світла, зумовленого ЛМОЭ. Перемагнічуванню відповідають вертикальні ділянки кривих. При збільшенні поперечної компоненти магнітного поля Н^//[110] перемагнічування відбувається при меншій поздовжній компоненті HZ, яка зменшується пропорційно квадрату поперечної. Така обернено-квадратична залежність між компонентами узгоджується з феноменологічним описом квадратичного намагнічування, властивого НЦАС антиферомагнетикам. Добуток поздовжньої складової магнітного поля на квадрат поперечної (НZН^2)С, виміряні для середини процесу перемагнічування, не залежать від магнітного поля і є характеристикою енергії зв'язку доменної стінки з дефектами, або енергії іншого походженя – власної коерцитивності, що має механізм, подібний до пінінгу дислокацій в періодичному потенціалу Пайерлса, що зумовлений дискретністю кристалічної ґратки.

Рис.8.Перемагнічування АФМ СоF2 в нахиленому магнітному полі. Сигнал I~ пропорційний ЛМОЭ в полі Hz. При записі кривих проекція поля Н^ підтримувалася постійно, а Hz змінювалася.

У випадку АФМ кристалів поняття коерцитивної сили, що застосовується до феромагнетиків, не має сенсу і варто вжити поняття питомої коерцитивної енергії, або коерцитивного тиску на стінку. Досдідження температурної залежності коерцитивного тиску може допомогти з'ясувати механізми походження коерцитивності. На рис.9 наведені температурні залежності критичних полів перемагнічування CoF2 (точки) і крива критичного тиску на доменну стінку, яка побудована в рамках теорії власної коерцитивності за формулою:

, де: [15].

Рис.9. Температурна залежність критичного тиску на АФМ ДС CoF2 (точки – експеримент, лінії – розрахунок у моделі власної коерцитивності [15]). На вставці – розраховані температурні залежності поверхневої енергії доменної стінки g і її ширини d. Пунктирна крива побудована без урахування залежності g і d від температури, штрихова – для g(T)=g0Ч(М(T)/M0)2 і d=d0, суцільна – для g(T)=g0(М(T)/M0)5/2 і d(T)=d0(М(T)/M0)-1/2

Оцінка конкуренції механізмів коерцитивності дефектного і власного походження приводить до висновку, що в інтервалі низьких температур 2К<T<15K в АФМ CoF2 діють обидва механізми з приблизно рівним внеском у загальну коерцитивність, а при 15К<T<TN превалює механізм власної коерцитивності над дефектною.

ВИСНОВКИ

При розв'язанні поставлених у роботі задач були одержані результати, що дозволяють сформулювати такі основні висновки:

1. Експериментально виявлено явище парної магнітної гірації – квадратичних за напруженістю магнітного поля обертання площини поляризації світла і циркулярного дихроїзму. Досліди здійснено на НЦАС АФМ кристалах: CoF2, FeF2 і Са3Mn2Ge3O12.

2. Проведено виміри квадратичного магнітного обертання в АФМ фторидах перехідних металів при розповсюдженні світла вздовж кристалографічного напрямку [001] в магнітному полі, орієнтованому перпендикулярно до хвильового вектора світла вздовж H//[110]. Встановлено, що в легко доступних магнітних полях ~10кЭ КМО може використовуватись для візуалізації АФМ доменів у зразках CoF2.

3. Виміряно температурні залежності КМО для кристалів CoF2 і FeF2. Показано, що ефект зникає при ТN, це відповідно до теоретичних передумов підтверджує його зв'язок з АФМ упорядкуванням в кристалі.

4. На прикладі кристала CoF2 показано, що спектри лінійного і квадратичного по полю магнітного циркулярного дихроїзму, що проявляються в поздовжній k//H (Фарадея) і поперечній k^H (Фойгта) геометріях дослідів, несуть незалежну інформацію про оптичні переходи і можуть бути корисні для ідентифікації смуг поглинання АФМ кристала.

5. При дослідженні азимутальних залежностей квадратичного магнітного обертання і лінійного магнітооптичного ефекту виявлено, що Са3Mn2Ge3O12 може знаходитись в двох станах з істотно різними магнітооптичними властивостями. Встановлено, що класи їхньої магнітної симетрії різні. Обидва стани можуть співіснувати і при відсутності магнітного поля. Встановлено, що перехід від одного стану до іншого може відбуватись під впливом певним чином орієнтованого магнітного поля.

6. Розроблено й експериментально випробувано методи візуального дослідження процесу перемагнічування колінеарних скомпенсованих антиферомагнетиків НЦАС класів під комбінованим впливом одноосьової механічної напруги і магнітного поля (CoF2), а також під впливом нахиленого магнітного поля певної орієнтації (CoF2, FeF2, Са3Mn2Ge3O12). На прикладі CoF2 показано, що в повній відповідності до висновків аналізу симетрії, дозволений в НЦАС антиферомагнетиках ефект квадратичного за напруженістю поля намагнічування може використовуватися для цілеспрямованого перемагнічування кристала і приготовлення монодомених зразків.

7. Вперше побудовано діаграми АФМ станів зразка CoF2 в площинах координат Р[110] – тиск і H[001] - магнітне поле та в іншому випадку – в координатах - H[001] – поздовжня і H[110] – поперечна компоненти магнітного поля. Виявлено характерні особливості доменних структур, що виникають в АФМ кристалі CoF2 при різних умовах. Виявлено зміну коерцитивних властивостей АФМ зразків CoF2, зумовлену перемагнічуванням його підґраток. Проаналізовано можливі механізми доменоутворення в АФМ зразках.

8. Вперше досліджена коерцитивність АФМ доменної стінки. Виміряно температурну залежність коерцитивності АФМ стінки в кристалі CoF2 і проведено її аналіз в рамках моделей дефектної і власної коерцитивності. Показано, що в зоні низьких температур (2ё15К) відбувається конкуренція обох механізмів, у той час як вище 15К і до TN=37,7К в кристалі переважає механізм власної коерцитивності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні результати дисертації опубліковано:

1. Н.Ф.Харченко, A.В.Бибик, В.В.Eрeмeнкo. Квадратичное магнитное вращение плоскости поляризации света в антиферромагнитном СоF2 // Письма в ЖЭТФ. -1985. Т. 42, - В. 11. С.447-449.

2. V.V.Eremenko, N.F.Kharchenko, A.V.Bibik, A.A.Mil'ner. Quadratic magnetic rotation of light polarization plane in antiferromagnets // Proc. Int. Symp. Magneto-Optics, J. Magn. Soc. Jpn. -1987. -V.11, -Supplement, - S1, Р.51-54.

3. Н.Ф.Харченко, А.А.Мильнер, В.В.Eрeмeнкo, A.В.Бибик. Магнитный циркулярный дихроизм в антиферромагнитном фториде кобальта // ЖЭТФ. – 1988. -Т.94. -В5, С.340-349.

4. Н.Ф.Харченко, A.В.Бибик, С.В.Петров. Перемагничивание нецентроантисимметричных антиферромагнитных кристаллов фторидов кобальта и железа // ФНТ –1989. –Т.15. – В.12. С.1280-1289.

5. Н.Ф.Харченко, A.В.Бибик, D.M.Desvignes, H.Le Gall. Квадратичное магнитное вращение плоскости поляризации света в антиферромагнитном СаMnGe гранате // ФНТ – 1994. – Т.20. – В.4. С.371-374.

6. В.В.Eрeмeнкo, Н.Ф.Харченко, А.А.Мильнер, A.В.Бибик. Нечетный по Н линейный дихроизм в магнитоупорядоченных кристаллах // Всесоюзный Конгресс по спектроскопии, Toмск. Тезисы. - 1982. С.86.

7. Н.Ф.Харченко, А.А.Мильнер, A.В.Бибик. Нечетный по Н линейный дихроизм в СоF2 // 16я Всесоюзная Конф. по физ. магнитных явлений, Tула, Тезисы. – 1983. С.97.

8. A.В.Бибик, Н.Ф.Харченко, С.В.Петров. Монодоменизация и перемагничивание антиферромагнетика фторида кобольта // 16я Всесоюзная конф. по физ. маг. явлений, Tула, Тезисы. – 1983. С.95.

9. A.В.Бибик, Н.Ф.Харченко, П.П.Лебедев. Визуальные исследования индуцированного магнитным полем перемагничивания антиферромагнетика СоF2.// 17я Всесоюзная конф. по физ. маг. явлений, Донецк, Тезисы. –1985. С.71.

10. Н.Ф.Харченко, A.В.Бибик, С.Л.Гнатченко, С.В.Софронеев, В.В.Eрeмeнкo. Коллинеарные домены в антиферромагнетиках – возможность управления доменными структурами // 10й Всесоюзный симп. "Новые магнитные материалы в микроэлектронике", Рига. Тезисы. – 1986. С.141.

11. Н.Ф.Харченко, В.В.Eрeмeнкo, А.А.Мильнер, A.В.Бибик. Свойства магнитной гирации фторидов переходных металлов // 24я Всесоюзная конф. по физике низких температур, Тбилиси, Тезисы. –1986. – Т.1, С.3.

12. A.В.Бибик, Н.Ф.Харченко. Коэрцитивность антиферромагнитной доменной стенки в СоF2 // 18я Всесоюзная конф. по физ. маг. явлений, Калинин, Тезисы. – 1988. С.190.

13. A.V.Bibik, N.F.Kharchenko. Coercivity of antiferromagnetic domain wall in cobalt fluoride // Abstracts of 4-th Inter. Conf. on Phys. of Magn. Mat., - Poland. –1988. Р.231.

14. Н.Ф.Харченко, А.А.Мильнер, A.В.Бибик. Четный магнитный циркулярный дихроизм и квадратичное вращение в антиферромагнитных кристаллах класса симметрии 4/mmm // 20й Всесоюзный Конгресс по спектроскопии, Киев, Тезисы, -1988.

15. A.В.Бибик, Н.Ф.Харченко. Собственная коэрцитивность в высоко анизотропном антиферромагнетике СоF2 // 25я Всесоюзная конф. по физике низких температур, Ленинград, Тезисы. –1988. – Т.43. С.175.

16. A.V.Bibik, N.F.Kharchenko. Intrinsic coercivity of antiferromagnet СоF2 // 35th MMM'90, Abst. num. 53-FF, San-Diego, USA. -1990. Р.410.

17. N.F.Kharchenko, A.V.Bibik, V.V.Eremenko (ILTP, Ukraine), D.M. Desvignes, H.Le Gall (LMPS, C.N.R.S, France). Quadratic magnetic rotation of light polarization plane in antiferromagnet CaMnGe garnet // 35th MMM'90, Abstr., San-Diego, USA. -1990. Р.347.

18. О.В.Бібік, М.Ф.Харченко. Магнітооптичне обертання площини поляризації світла в антиферомагнітному СаMnGe гранаті в поперечній орієнтації магнітного поля // Українська науково-технічна конф. "Параметрична кристалооптика та її застосування", Львів. Тези. –1990. С.54.

19. N.F.Kharchenko, A.V.Bibik. Magnetic field induced metastable antiferromagnetic state in CaMnGe garnet // Mag.-optical Rec. Int. Symp., Noordwijkerhout, Digests. -ТP.24. -1996.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Локтев В.М., Островский В.С. Спиновая конфигурация и четный эффект Фарадея в CoF2 в поперечном магнитном поле // ДАН УССР, Серия А.– 1987.– № .– С.49–52.

2. Туров Е.А. Кинетические, оптические и акустические свойства антиферромагнетиков.– Свердловск.: АН CССР, Уральское отделение, 1990.– 134 с.

3. Еременко В.В., Харченко Н.Ф., Литвиненко Ю.Г., Науменко В.М. Магнитооптика и спектроскопия антиферромагнетиков.– К.: Наукова думка, 1989.– 264 с.

4. Kleiner W.H. Space-time symmetry restrictions on transport coefficients. 3 // Phys.1969.- Vol. 182, № 3.- P.705-709.

5. Боровик-Романов А.С. Пьезомагнетизм в антиферромагнитных фторидах кобальта и марганца // ЖЭТФ.– 1960.– T. 38, № .– С.1088–1097.

6. Дзялошинский И.Е. О магнитном строении фторидов переходных металлов // ЖЭТФ.- 1957.- T. 33, № 6.- C.1454-1456.

7. Shtrikman S., Treves D. Non-linearity of the susceptibility in weak ferromagnets and antiferromagnets // Intern. Conf. on Magnetism (Nottingham, 1965).- London (Great Brittan), 1965.- P.484-487.

8. Харченко Н.Ф., Белый Л.И. Визуализация 180-градусных АФМ доменов в магнитном поле. 1. Тетрагональный коллинеарный антиферромагнетик // Изв. АН СССР. Сер. физ.– 1980.– T.44, № .– С.1451–1459.

9. Островский В.С., Локтев В.М. О новом магнитооптическом эффекте в антиферромагнитных фторидах переходных металлов в продольных магнитных полях // Письма в ЖЭТФ.– 1977.– T. 26, № .– С.139–141.

10. Wertheim G.K. and Buchanan D.N.E. Temperature dependence of the Fe57 hfs in FeF2 below the Neel temperature // Phys. Rev. – 1967.– Vol. 161, №2.– P. 478–482.

11. Martel P., Cowley R.A., Stevenson R.W.H. Experimental studies of the magnetic and phonon excitations in cobalt fluoride // Canadian J. Phys.- 1968.-Vol.46, №11.-P.1355-1370.

12. Казей З.А., Милль Б.В., Соколов В.И. Кооперативный эффект Яна-Теллера в гранате Ca3Mn2Ge3O12 // Письма в ЖЭТФ.– 1976.–Т. 24, № .– С.229–232.

13. Рlumier R. Determination рar diffraction des neutrons de la structure antiferromagnetique du grenat Ca3Mn2Ge3O12 // Sol. St. Comm.– 1971.– Vol. 9, № .– Р. 1723–1725.

14. Харченко Н.Ф., Еременко В.В., Гнатченко С.Л. Магнитооптическое определение точечной магнитной группы Ca3Mn2Ge3O12 // ФНТ.– 1985.– T. 11, № .– С. 215–218.

15. Hilzinger H.R., Kronmuller H. Analytical derivation of spin configuration and intrinsic coercive field of a narrow domain wall// Phys. Stat. Sol.(b).– 1973.– Vol.59, №1.– P. 71–77.

______________________

Бiбiк O.В. Магнiтооптичнi дослідження нецентроантисиметричних антиферомагнетиків. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.11 – магнетизм. ФТІНТ ім. Б. І. Вєркіна НАНУ, Харків, 2001.

Експериментально виявлено квадратичні ефекти магнітного обертання площини поляризації світла та магнітного циркулярного дихроїзму. Дослідження ефектів проведено на тетрагональних нецентроантисиметричних АФМ кристалах CoF2, FeF2 і Са3Mn2Ge3O12 в геометрії H^k//[001] на монодоменних зразках. Виявлено, що ефекти змінюють знак при зміні напрямку АФМ вектора на протилежний. Поміряно температурні залежності квадратичного магнітного обертання в кристалах CoF2 и FeF2. Ефект зникає при TN, що підтверджує його зв'язок з АФМ впорядкуванням. В Са3Mn2Ge3O12 гранаті поміряно азимутальну залежність квадратичного магнітного обертання від орієнтації вектора магнітного поля в площині (001) при k//[001]. Виявлено, що кристал може бути в чотирьох АФМ станах, які можуть співіснувати навіть за відсутності магнітного поля. Досліджено АФМ перемагнічування кристалів CoF2 и FeF2. Енергетична нееквівалентність АФМ доменів створювалась за допомогою ефектів п'єзомагнетизму і квадратичного намагнічування. Визначено величини зовнішніх впливів, що необхідні для приготування монодоменних зразків кристалів CoF2 і FeF2. Вперше досліджено коерцитивність АФМ доменної стінки. Поміряно температурну залежність критичного тиску (коерцитивність) на АФМ доменну стінку в кристалі CoF2 і виконано її аналіз в рамках моделей дефектної і власної коерцитивності. Показано, що при низьких температурах (2-15К) в CoF2 спостерігається конкуренція обох механізмів, а при температурах вищих за 15К і до TN=37,7К в кристалі переважає власна коерцитивність.

Ключові слова: антиінверсія, парний магнітний дихроїзм, квадратичне магнітне обертання площини поляризації світла, монодоменізація антиферомагнетиків, власна коерцитивність антиферомагнітних доменних стінок.

Бибик А.В. Магнитооптические исследования нецентроантисимметричных антиферромагнетиков. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 – магнетизм. ФТИНТ им.Б.И.Веркина НАНУ, Харьков, 2001.

Экспериментально обнаружены квадратичные эффекты магнитного вращения плоскости поляризации света и магнитного циркулярного дихроизма. Исследования эффектов проведены на тетрагональных нецентроантисимметричных антиферромагнетиках CoF2, FeF2 и Са3Mn2Ge3O12 в геометрии H^k//[001] в монодоменных образцах. Обнаружено, что эффекты изменяют знаки при повороте АФМ вектора на 180 градусов. Измерены температурные зависимости квадратичного магнитного вращения в кристаллах CoF2 и FeF2. Эффект исчезает при TN, что подтверждает его происхождение, связанное с АФМ порядком в кристалле. В Са3Mn2Ge3O12 гранате измерена азимутальная зависимость квадратичного магнитного вращения от ориентации вектора магнитного поля в плоскости (001) при k//[001]. Обнаружено, что кристалл может находиться в четырех АФМ состояниях, которые могут сосуществовать даже в отсутствие магнитного поля. Изучено АФМ перемагничивание кристаллов CoF2 и FeF2. Энергетическая неэквивалентность АФМ доменов создавалась с помощью эффектов пьезомагнетизма и квадратичного намагничивания. Определены величины внешних воздействий, необходимые для приготовления монодоменных образцов кристаллов CoF2 и FeF2. Впервые исследована коэрцитивность АФМ доменной стенки. Измерена температурная зависимость критического давления (коэрцитивность) на АФМ доменную стенку в кристалле CoF2, выполнен ее анализ в рамках моделей дефектной и собственной коэрцитивности. Показано, что при низких температурах (2К-15К) в CoF2 наблюдается конкуренция обоих механизмов, в то время как выше 15К и до TN=37,7К в кристалле преобладает собственная коэрцитивность.

Ключевые слова: антиинверсия, четный магнитный дихроизм, квадратичное магнитное вращение плоскости поляризации света, монодоменизация антиферромагнетиков, собственная коэрцитивность антиферромагнитных доменных стенок.

Bibik O.V. Magnetooptic investigations of non-centro-anti-symmetrical antiferromagnets. – Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree in Physics and Mathematics, speciality 01.04.11 – magnetism. B. Verkin ILTPE NAS of Ukraine, Kharkiv, 2001.

The generalized to magnetically ordered media Onsager relations for kinetic coefficients lift the prohibition against the even-law dependence on magnetic field strength of the antisymmetric dielectric tensor components. This condition allows existing of the new magnetooptic effect - even magnetic gyration in the antiferromagnetic (AFM) crystals belonging to non-centro-anti-symmetrical classes of symmetry. It is informing in the present thesis that the phenomenon of an even magnetic gyration is discovered experimentally for the first time. The even magnetic gyration manifests itself in a transparency as a magnetic rotation of a polarization plane of light (QMR) and in a absorption – as a phenomenon of the even magnetic circular dichroism (MCD) and both of them depend on a magnetic field strength by quadratic law. The first investigations of these effects have been done in tetragonal non-centro-anti-symmet-rical two-sublattice AFM CoF2, FeF2 crystals and multi-sublattice Са3Mn2Ge3O12 garnet. The experiments have been carried out on antiferromagnetically homogeneous samples. The effects change their signs with the reverse of the AFM vector direction. The constants of QMR are measured to be: В=1,3Ч10-2 deg/сmЧkOe2 for CoF2 and В=7Ч10-4 deg/сmЧkOe2 for FeF2. The measurements of QMR are carried out for the light propagating along the crystallographic direction [001] in a magnetic field geometry H//[110]. Also it was shown experimentally that QMR can be used for visualization of 180-degree AFM domains in samples CoF2 in easily achievable magnetic fields ~10 кЭ. The temperature dependences of QMR in CoF2 and FeF2 have been measured. The effect disappears at the temperature TN, that confirms an origin of the effect connected with AFM order in a crystal. In a case of the tetragonal AFM Са3Mn2Ge3O12 the investigations of QMR have given more complicated results. The azimuthal dependence of QMR