НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

ім. О.О. ГАЛКІНА

На правах рукопису

УДК 537.611.45: 538.22: 543.42

ПРИМАК Тетяна Юхимівна

ОБМІННІ МАГНІТНІ ПОЛЯРИТОНИ У БАГАТОПІДГРАТКОВИХ МАГНЕТИКАХ

01.04.11- магнетизм

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Донецьк - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Криворучко Володимир Миколайович

ДонФТІ НАН України, вчений секретар інституту

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Даньшин Микола Кузьмич

ДонФТІ НАН України, головний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор

Шавров Володимир Григорович

Інститут радіотехніки та електроніки РАН, м. Москва

завідувач лабораторією магнітних явищ

Провідна установа: Донецький державний університет, фізичний факультет, кафедра загальної фізики та дидактики фізики, Міністерство освіти та науки, м. Донецьк.

Захист відбудеться "_15_" _червня____ 2000 р. о _10_ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01 в ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України: 83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72.

Автореферат розісланий "_12_" __травня___ 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор фізико-математичних наук В. М. Криворучко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Під впливом розвитку фізики конденсованих речовин сформувався стійкий інтерес до особливостей розповсюдження власних електромагнітних хвиль у твердому тілі - поляритонів. В основному вивчення поляритонів стосувалося збуджень у немагнітних діелектриках і металах, частоти яких лежать в інфрачервоній області спектру. Значно менше уваги приділено магнітним поляритонам у феромагнетиках та антиферомагнетиках (АФМ), оскільки частоти типових магнітних коливань лежать нижче частот оптичних фононів та плазмонів, що призводить до великої довжини хвилі поляритонів, а отже, до труднощів їхнього експериментального спостереження.

Проте, більшість реальних магнетиків є багатопідгратковими системами, у яких у спектрі власних колективних магнітних збуджень крім акустичних коливань існують оптичні або обмінні коливання, частоти яких порівняні з енергією обмінних взаємодій і, як правило, лежать в інфрачервоній і видимій областях спектру. Спостереження поляритонів, обумовлених обмінними спіновими коливаннями, не вимагає великих розмірів кристала. Іншим класом об'єктів, де поляритонні збудження актуальні, є системи з великим значенням діелектричної проникливості. У цьому випадку виконання умов спостереження магнітного резонансу (довжина хвилі випромінювання значно більше розмірів зразка) ускладнено і перспективним виявляється вивчення власних электормагнитних хвиль середовища. Актуальність дослідження електродинаміки таких систем обумовлена тим, що до них належать більшість нових матеріалів, в яких відбувається перехід метал-діелектрик.

Існування меж кристала призводить до появи особливих макроскопічних поверхневих хвиль, що розповсюджуються уздовж межі кристала поблизу частот власних коливань речовини - поверхневих поляритонів. Інтерес до поверхневих поляритонів зумовлений можливістю їхнього використання в якості діагностичного інструмента для вивчення характеристик твердого тіла поблизу поверхні. Відомо, що розсіювання світла на флуктуаціях параметру порядку поблизу фазового переходу лежить в основі одного з найбільш потужних методів дослідження критичних явищ у твердому тілі. Розсіювання поверхневих хвиль може бути використане для вивчення фазових переходів (ФП) як у прозорих, так і в непрозорих середовищах, а також поверхневих фазових переходів і переходів у тонких плівках і надгратках.

Сказане вище дає підставу вважати, що така область фізичних досліджень, як обмінні магнітні поляритони в багатопідграткових магнетиках, є актуальною та важливою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження з теми дисертації були виконані згідно тематичного плану ДонФТІ НАН України за темами: "Неоднорідні стани і високочастотні властивості багатопідграткових магнетиків"(№ держ. регістр. 01900045392), "Теоретичні й експериментальні дослідження статичних і динамічних особливостей реальних магнітовпорядкованих систем" (№ держ. регістр. 0195V006556), "Мікроскопічні, магнітні і транспортні властивості манганатів лантану" (№держ. регістр. 0197У008907).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є дослідження особливостей розповсюдження електромагнітних хвиль у багатопідграткових магнетиках, пов'язаних з утворенням об'ємних і поверхневих поляритонів поблизу частот обмінних коливань спінової підсистеми. Вибраний напрямок дослідження зумовлює вивчення наступних конкретних задач:

1. Виконати дослідження особливостей розповсюдження електромагнітних хвиль і умов утворення обмінних об'ємних і поверхневих поляритонів у багатопідграткових магнетиках із електроактивними магнітними коливаннями.

2. Вивчити розсіювання поверхневих магнітних поляритонів на флуктуаціях параметра порядку поблизу спін-переорієнтаційного фазового переходу II-го роду і визначити умови експериментального спостереження цього розсіювання поблизу характерних точок дисперсійних кривих.

3. Досліджувати вплив близькості двовимірного переходу метал-діелектрик на поляритонні ефекти для систем із великими значеннями діелектричної проникливості речовини.

4. Одержати спектри проходження електромагнітних хвиль для різноманітних магнітних структур, реалізованих у кристалі La2CuO4 і оцінити їхню ефективність як інструмента для вивчення фазової діаграми і частот антиферомагнітного резонансу (АФМР) у різноманітних фазах.

Наукова новизна отриманих результатів. На прикладі конкретного добре вивченого АФМ - a-Fe2O3 (гематит) - уперше досліджені особливості розповсюдження власних електромагнітних хвиль і умови утворення об'ємних та поверхневих магнітних поляритонів електроактивного типу, коли взаємодія зі спіновою підсистемою кристала здійснюється електричною компонентою поля. Проведені для a-Fe2O3 оцінки дозволяють сподіватися на експериментальне виявлення електроактивних спінових коливань оптичними методами.

Уперше досліджено розсіювання поверхневих магнітних поляритонів у гематиті, обумовлене просторовими флуктуаціями параметру порядку поблизу спін-переорієнтаційних фазових переходів II роду. Виявлено, що в характерних областях спектру розсіювання поверхневих фотон-магнонних мод резонансно посилюється і, як показують оцінки, існує можливість безпосереднього експериментального спостереження даного розсіювання.

Уперше вивчено вплив близькості двовимірного переходу метал-діелектрик у La2CuO4 на розповсюдження фотон-магнонних мод. Розраховано спектри проходження електромагнітних хвиль поблизу частот магнітних поляритонів і вивчено вплив товщини пластини, величини діелектричної постійної і ширини лінії на інтенсивність поляритонних ефектів. Електромагнітна хвиля, що має компоненту електричного поля, рівнобіжну CuO2 шарам, демонструє більш виражені поляритонні ефекти, що пов'язано з розходженням відповідної компоненти діелектричної проникливості поблизу двовимірного фазового переходу метал-діелектрик.

Отримано частотно-польову діаграму і компоненти тензора високочастотної магнітної сприйнятливості для АФМ структур, реалізованих у La2CuO4 у подовжньому магнітному полі. Розраховано коефіцієнт проходження електромагнітних хвиль через зразок і проведено детальний аналіз змін у спектрі проходження, обумовлених зміною магнітних фаз. За характером змін можна судити про наближення до точок фазового переходу. Виявлено, що кожний із припустимих сценаріїв зміни фаз демонструє свої характерні зміни в спектрі проходження, що дозволяє за спектром проходження електромагнітних хвиль відновити фазову діаграму, визначити частоти АФМР у різних фазах і з їхньою допомогою відновити константи спінового гамільтоніана La2CuO4.

Практичне значення отриманих результатів. Одним із потужних сучасних методів дослідження динамічних властивостей магнітовпорядкованих речовин є метод магнітного резонансу. Проте умова спостереження магнітного резонансу, коли довжина хвилі випромінювання набагато більша розмірів зразка, порушується для багатопідграткових систем поблизу оптичних магнітних коливань. Переважна більшість реальних магнетиків є багатопідгратковими системами, і для дослідження обмінних коливань у таких системах перспективним виявляється вивчення власних електромагнітних збуджень середовища, що реалізуються, коли довжина хвилі набагато менша характерних розмірів кристала.

Поверхневі поляритони є вкрай чутливим оптичним зондом при вивченні властивостей поверхні, тому що напруженість їхнього електромагнітного поля максимальна саме на поверхні, і стан поверхні істотно впливає на властивості цих збуджених станів. Важливо, що розсіювання поверхневих хвиль може бути використане для вивчення фазових переходів як у прозорих, так і в непрозорих середовищах, а також поверхневих фазових переходів і переходів у тонких плівках і надгратках.

Значний клас речовин із великими значеннями діелектричної проникливості являє собою ще один, і дуже актуальний, об'єкт для вивчення магнітних поляритонів. Експериментальне спостереження АФМР частот у речовинах, близьких до переходу метал-діелектрик, ускладнене. У той же час, характерні поляритонні ефекти в отриманих нами спектрах проходження електромагнітних хвиль показують, що магнітні поляритони можуть бути адекватним інструментом для вивчення електродинаміки таких матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Дисертант приймала активну участь як у виконанні теоретичних розрахунків, так і у розробці програм для числових розрахунків. У опублікованих із співавторами наукових працях особистий внесок здобувача полягає: у роботі [1] - в участі в теоретичних розрахунках, у роботах [2-4,7] - в участі в теоретичних розрахунках і написанні статей. Автору дисертації належить увесь обсяг робіт, пов'язаний із числовими розрахунками [3,4], і аналізом отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи з теми дисертації доповідались і обговорювались на: Всесоюзній нараді з фізики низьких температур (Донецьк, 1990); 15 Пекаровскій нараді з теорії напівпровідників (Львів, 1992); International Symposium on High -Tc Superconductivity and Tunnelling Phenomena (Donetsk, 1992); Ukrainian-French Symposium "Condenced Matter: Science & Industry" (Lviv, Ukraine, 1993); VI науковому семінарі "Фізика магнітних явищ" (Донецьк, 1993); Звітній конференції ДонФТІ НАН України, присвяченій 80-річчю Національної академії наук України (Донецьк, 1998); 18 European Conference oN Surface Science ( ECOSS 18, Wienn, Austria, 1999); були представлені на 2nd International Symposium on Physics of Magnetic Materials (Beijing, China, 1992).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 14 наукових працях, у тому числі в 7 статтях у наукових журналах і в 7 тезах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з Вступу, чотирьох Розділів, Висновку і двох Додатків. У ній міститься 16 малюнків, 3 таблиці і список літератури з 86 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність обраної теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведено загальну характеристику дисертації.

Розділ 1 містить огляд літератури і загальну характеристику дисертації.

При розповсюдженні електромагнітної хвилі у середовищі, її електричне і магнітне поля можуть збуджувати внутрішні ступені свободи речовини. Результатом взаємодії електромагнітної хвилі і власних збуджень середовища є поляритони, властивості яких можна отримати, безпосередньо розв`язуючи рівняння Максвела з урахуванням відповідних тензорів діелектричної і магнітної проникливості [1]. Традиційно перешкодою для спостереження фотон-магнонних мод вважалася та обставина, що частоти типових магнітних коливань лежать нижче частот оптичних фононів і плазмонів. У результаті довжина хвилі магнітних поляритонів значно більша довжини хвилі фонон-поляритонів і плазмон-поляритонів, і для експериментального спостереження магнон-поляритонів необхідні великі розміри кристала. Експериментально магнітні поляритони спостерігалися в АФМ типу MnF2, FeF2 із частотами магнітних коливань в інфрачервоній області спектру (див. цитовані роботи [ 2,3 ]). Водночас існує важлива обставина, що дозволяє, на нашу думку, перебороти вказані вище труднощі і не обговорена скільки-небудь детально в літературі. Справа в тому, що переважна кількість магнітних матеріалів є багатопідгратковими системами. У спектрі власних коливань таких систем, крім звичайних, акустичних мод (АМ), присутні обмінні моди (ОМ), частоти яких порівняні з енергією обмінних коливань і, як правило, лежать в інфрачервоній і видимій областях спектру. Спостереження поляритонів, обумовлених обмінними спіновими коливаннями кристала, не вимагає великих розмірів кристала, що робить обмінні магнітні поляритони (ОМП) перспективними об'єктами для експериментального спостереження.

Розділ 2 присвячений вивченню об'ємних і поверхневих магнітних поляритонів електроактивного типу. Розгляд проводиться на прикладі добре вивченого чотирьохпідграткового АФМ - a-Fe2O3. Дослідження власних електромагнітних хвиль у магнетиках вимагає спільного розгляду рівнянь руху магнітних моментів підграток і рівнянь Максвела [1]. Припускаючи плоскохвильові рішення, exp(- ikr - iwt), запишемо рівняння Максвела для розповсюдження монохроматичних хвиль у середовищі, яке описується тензорами діелектричної і магнітної проникливості , у формі:

. (1)

Тут w- частота хвилі, k - її хвильовий вектор, с - швидкість світла. Наявність полюсів у тензорі магнітної сприйнятливості, що входить у рівняння через тензор проникливості , призводить до утворення магнітних поляритонів. Таким чином, у магнітовпорядкованих системах магнітна компонента поля електромагнітної хвилі взаємодіє з магнонами, що призводить до утворення розповсюджуваних фотон-магнонних мод. Проте, навіть у центросиметричних кристалах можливі випадки, коли ОМ є непарними відносно інверсії коливаннями і взаємодіють тільки з електричною компонентою поля. Модельним прикладом такої системи є гематит a-Fe2O3. У цьому випадку взаємодія світла з магнонами здійснюється електричною компонентою поля через тензор діелектричної сприйнятливості , що входить у тензор проникливості . У таких АФМ повинні спостерігатися додаткові особливості розповсюдження світла, обумовлені утворенням ОМП електроактивного типу.

Підрозділ 2.1 містить розрахунки магнітного внеску в тензор високочастотної діелектричної сприйнятливості і частот АФМР гематиту. Підрозділ 2.2 присвячений вивченню умов утворення й одержанню дисперсійних співвідношень ОМП у різноманітних геометріях експерименту для легковісної (ЛО) і легкоплоскосної (ЛП) фаз гематиту. Проведений на прикладі a-Fe2O3 аналіз особливостей розповсюдження електромагнітних хвиль у багатопідграткових магнетиках показує суттєву різноманітність властивостей обмінних поляритонів у такого типу системах. Отримані результати в дисертації систематизовані в таблицю, де показано, із якими ОМ взаємодіють електромагнітні хвилі при даній орієнтації постійного магнітного поля і напрямку розповсюдження k.

Підрозділ 2.3 присвячений дослідженню особливостей розповсюдження поверхневих ОМП у ЛО- і ЛП- фазах гематиту, а також поблизу індукованого зовнішнім магнітним полем спін-переорієнтаційного фазового переходу з ЛО- у ЛП- фазу. Поверхневі електродинамічні властивості АФМ залежать від взаємної орієнтації векторів: n - нормалі до поверхні кристала, напрямку розповсюдження електромагнітних хвиль (хвильовий вектор k), орієнтації зовнішнього магнітного поля H0 і, природно, орієнтації магнітних моментів підграток щодо оптичної осі кристала. Усе це обумовлює розмаїтість властивостей системи в різноманітних геометріях експерименту. Нами показано, що при певній взаємній орієнтації цих векторів для електроактивних ОМП спостерігається ефект невзаємності, коли моди поширювані в двох протилежних напрямках, мають різні дисперсійні співвідношення, і відповідно швидкості, поляризації і фотонне наповнення (див. мал.1).

Дисперсія поверхневих ОМП у невзаємних геометріях експерименту визначається рівняннями виду:

,

де . Вочевидь, права частина цього рівняння призводить до невзаємності спектру власних електромагнітних хвиль поблизу частоти ОМ w02 для +[ n, H0 ] і -[ n, H0 ] напрямків.

За допомогою параметрів спінового гамільтоніану a-Fe2O3 оцінена область існування об'ємних і поверхневих поляритонів і зроблено висновок про можливість їхнього експериментального спостереження.

Мал.1. Спектр поверхневих поляритонів у ЛП-фазі a-Fe2O3 при k^n^H0. На вставці показана відповідна геометрія експерименту. Штрихпунктирні лінії - спектр об'ємних поляритонів

У розділі 3 досліджується розсіювання магнітних поверхневих поляритонів на флуктуаціях параметру порядку в напівбезкінечному антиферомагнетику поблизу спін-переорієнтаційного переходу II-го роду.

Для одержання виразів потужності розсіяного випромінювання ми скористалися методом функцій Гріна. Розрахунок функцій Гріна для випадку електроактивних коливань у чотирьохпідгратковому АФМ винесений у Додаток 1 дисертації.

Поблизу спін-орієнтаційного ФП ІІ-го роду , де є тензор високочастотної діелектричної проникливості при нульовому параметрі порядку, а - флуктуаційна частина проникливості, що залежить від параметра порядку магнітного фазового переходу і призводить до розсіювання поверхневих ОМП. Явний вигляд залежності від параметра порядку визначено із рівнянь руху для неприводимих векторів феро- й антиферомагнетизму системи.

У результаті розсіювання поверхневий поляритон може перетворитися або в об'ємну хвилю (випромінювання поверхневого поляритона), або в поверхневу хвилю, але з іншою частотою і хвильовим вектором (раманівське розсіювання поверхневого поляритона). Саме об'ємне випромінювання може спостерігатися експериментально за допомогою звичайних приймачів. Одержанню виразів для потужності об'ємного випромінювання і присвячений розділ 3 даної роботи. Показано, що при розсіюванні поверхневих ОМП на флуктуаціях параметра порядку біля спін-переорієнтаційного фазового переходу поблизу характерних точок дисперсійних кривих поверхневих ОМП спостерігається резонансне підсилення розсіювання. Наприклад, поблизу частоти w02 (див. мал. 1) вище точки переходу, H>Hcr, розрахунки для ефективності розсіювання дають

,

де b1` - обернена глибина проникнення ОМП у середовище, Т - температура, x - параметр порядку, g - параметр розкладання в потенціалі Гінзбурга-Ландау. Очевидно, що при w ® w0L2z компонента ezz ® 0 (див. мал. 1) і спостерігається резонансне підсилення розсіювання поверхневих магнітних поляритонів.

Отримано загальну оцінку для перетину розсіювання поверхневих ОМП з утворенням об'ємного випромінювання поблизу фазового переходу: при H>Hcr W/W0 ~ x2, тобто ефективність розсіювання поверхневих ОМП поблизу точки фазового переходу росте як |H-Hcr|-1. Нижче точки фазового переходу відносна потужність розсіювання в головному наближенні не залежить від |H-Hcr|.

У області частот w0L2z (див. мал. 1) для ефективності розсіювання поверхневих поляритонів оцінки дають W/W0 ~10-6 як вище, так і нижче точки фазового переходу Hcr. Для оптичних частот у a-Fe2O3 w0 » 1014 с-1, використовуючи результати попередніх досліджень [1], нами дана оцінка ефективності розсіювання на неровностях. З`ясовано, що ефективність розсіювання поверхневих ОМП на типових неровностях поверхні порядку 10-11, що значно менше ефекту для розсіювання на флуктуаціях параметра порядку магнітного фазового переходу. Наведені оцінки вказують на можливість експериментального виявлення досліджуваних ефектів.

Розділ 4 присвячений вивченню фотон-магнонних мод у La2CuO4. Підрозділ 4.1 містить дослідження впливу близькості двовимірного переходу метал-діелектрик на розповсюдження магнітних поляритонів.

Магнітні поляритони звичайно досліджуються за спектрами проходження електромагнітних хвиль у кристалі (мал. 2). Підставляючи розраховані нами вирази для тензора магнітної сприйнятливості в рівняння Максвела (1), можна одержати рішення виду c2k2/w2 = (h + iq)2 k0-2, k0=2pw/c, що визначають дисперсію фотон-магнонних мод. Коефіцієнт проходження для поляризованого світла, що падає нормально на пластину товщини d, записується в такий спосіб:

T = {16e2 (h2 + q2)exp[-2(w/c)qd]}/D,

D = [(e + h)2 +q2]2 + [(e - h)2 +q2]2 exp(- 4k0 qd) - 2exp(- 2k0 qd) [(e2 - h2 -q2)2 - 4e2q2] cos(2k0 hd) - 2exp(- 2k0 qd) [4eq(e2 - h2 -q2)] sin(2k0 hd).

Нами розраховані спектри проходження МП і вивчений вплив на них концентрації зарядів, товщини зразка і величини згасання. Насамперед відзначимо, що коефіцієнт проходження зразка практично дорівнює нулю поблизу АФМР мод . Розглянуті інтервали є щілини, у яких електромагнітні хвилі не можуть розповсюджуватися через зразок (без урахування згасання, w`®0) - так звані "поляритонні щілини". У поляритонній щілині дисперсійні співвідношення дають чисто уявні величини для хвильового вектора, електромагнітні хвилі не можуть розповсюджуватися і коефіцієнт відбивання повинен бути великим. Інші структури в спектрі проходження є результатом інтерференції від численних відбивань. Умова появи максимумів і мінімумів у спектрі проходження виконується, коли 2 дорівнює Nl або (N-1/2)l, де N - ціле.

На мал. 2 наведені розраховані спектри проходження магнітних поляритонів для хвилі з компонентою електричного поля, рівнобіжною CuO2 шарам (а), і для хвилі, що не містить такої компоненти (б). Очевидно, що електромагнітна хвиля, яка має компоненту електричного поля, рівнобіжну CuO2 шарам, демонструє більш виражені поляритонні ефекти, що пов'язано з близькістю двовимірного переходу метал-діелектрик.

Мал. 2. Вплив близькості двовимірного переходу метал-діелектрик на спектр проходження електромагнітних хвиль; d і w` - фіксовані, e змінюється в залежності від концентрації носіїв заряду з наближенням до переходу метал-діелектрик

У підрозділі 4.2 досліджується магнітна структура, фазові переходи й особливості розповсюдження електромагнітних хвиль у La2CuO4 у подовжньому магнітному полі. У La2CuO4 можливе існування чотирьох різних фаз. Відносна орієнтація векторів намагніченості підграток в усіх можливих фазах у подовжньому полі подана на мал. 3.

У 4-х підгратковій фазі F3, що існує в достатньо слабкому зовнішньому полі, вектори намагніченості підграток лежать у площині (yz) і підгратки 1, 2 і 3, 4 скошені одна відносно другої за рахунок магнітного поля і взаємодії Дзялошинського. При досягненні деякого критичного поля відбувається ФП I-го роду або у фазу F4, або у фазу F2. Особливістю 2-х підграткової фази F4 є те, що вектори намагніченості підграток лежать в одній площині, розгорнутій відносно площини (xy) на кут q. Фаза F2 - некомпланарна: намагніченості підграток 1, 2 і 3, 4 попарно лежать у різних площинах, розгорнутих відносно площини (xy) на кут q. При подальшому підвищенні поля відбувається ФП II-го роду в 2-х підграткову фазу F1, у котрій намагніченості підграток лежать у площині (yz) і відхилені від осі z на однаковий кут j.

Мал. 3. Відносна орієнтація векторів намагніченості підграток у фазах, реалізованих у La2CuO4 у магнітному полі уздовж легкої вісі кристала

Отримано частотно-польову діаграму (див. мал. 4) і компоненти тензора високочастотної магнітної сприйнятливості для АФМ структур, реалізованих у La2CuO4 у подовжньому магнітному полі. Розраховано коефіцієнт проходження електромагнітних хвиль через зразок і проведено детальний аналіз змін у спектрі проходження, обумовлених зміною магнітних фаз. В результаті виявилося, що поляритонні ефекти різні для різних АФМ структур і за характером змін можна судити про наближення до точок ФП. Важливо, що для кожного з можливих сценаріїв зміни фаз характерні свої зміни в спектрі проходження. Так, у випадку послідовності фаз F3 - F4 - F1 після ФП I-го роду F3 - F4 число заборонених зон зменшується вдвічі, а перехід II-го роду F4 - F1 виявляється характерною поведінкою поляритонних ефектів при частоті w3: із збільшенням поля у фазі F4 вони слабшають, а після ФП - посилюються. Якщо ж реалізується послідовність фаз F3 - F2 - F1, то після ФП I-го роду число заборонених зон зберігається, а поблизу ФП II-го роду дві з чотирьох поляритонних мод слабшають із ростом поля і зникають при переході у фазу F1. Крім того, у цьому випадку у фазі F2 можна спостерігати дві близькі заборонені зони, пов'язані з поляритонами на частотах w3 і w4..

Мал. 4. Частотно-польова діаграма La2CuO4 у подовжньому зовнішньому полі

З огляду на усі перераховані нами особливості поводження МП поблизу ФП, можна, на нашу думку, за спектром проходження електромагнітних хвиль відновити фазову діаграму La2CuO4 у зовнішньому магнітному полі. Крім того, спектр магнітних поляритонів дає можливість визначити частоти АФМР у різних фазах і відновити константи спінового гамільтоніана. Таким чином, спектр проходження електромагнітного випромінювання дозволяє одержати важливу інформацію про магнітну підсистему La2CuO4.

ВИСНОВКИ

1. На прикладі чотирьохпідграткового АФМ a-Fe2O3 досліджені особливості розповсюдження власних електромагнітних хвиль і умови утворення магнітних поляритонів електроактивного типу, коли взаємодія зі спіновою підсистемою кристала здійснюється електричною компонентою поля. Проведені для a-Fe2O3 оцінки для різних геометрій експерименту вказують на можливість експериментального виявлення електроактивних спінових коливань оптичними методами.

2. Розглянуто характер розповсюдження електромагнітних хвиль уздовж поверхні багатопідграткових АФМ у зовнішньому магнітному полі при різноманітних геометріях експерименту. При певній взаємній орієнтації зовнішнього поля, нормалі до поверхні і напрямку розповсюдження спостерігається невзаємність розповсюдження поверхневих магнітних поляритонів. Показано, що наявність обмінних спінових коливань, розташованих в інфрачервоному й оптичному діапазонах довжин хвиль, робить багатопідграткові магнетики перспективними об'єктами для експериментального спостереження поверхневих обмінних поляритонів.

3. Вперше досліджено розсіювання поверхневих магнітних поляритонів поблизу спін-переорієнтаційних фазових переходів II-го роду, обумовлене просторовими флуктуаціями параметра порядку. На прикладі чотирьохпідграткового антиферомагнетика - a-Fe2O3 отримані вирази для розсіяного у вакуум випромінювання поблизу частот обмінних магнітних коливань. Показано, що в характерних областях спектра ПМП спостерігається резонансне підсилення їхнього розсіювання. Проведені для a-Fe2O3 оцінки вказують на можливість експериментального спостереження розсіювання поверхневих магнітних поляритонів на флуктуаціях показника заломлення поблизу спін-переорієнтаційних фазових переходів II-го роду.

4. Отримано спектри проходження електромагнітних хвиль поблизу частот магнітних поляритонів і розглянуто вплив товщини пластини, величини діелектричної постійної і ширини лінії на інтенсивність поляритонних ефектів.

5. Вивчено вплив близькості двовимірного переходу метал-діелектрик у La2CuO4 на розповсюдження фотон-магнонних мод у багатопідграткових магнетиках. Проведені розрахунки демонструють, що поляритонні ефекти є більш яскраво вираженими, якщо електромагнітне поле хвилі має електричну компоненту, яка рівнобіжна CuO2 шарам і аномально зростає поблизу переходу метал-діелектрик.

6. Отримано частотно-польову діаграму і компоненти тензора високочастотної магнітної сприйнятливості для АФМ структур, реалізованих у La2CuO4 у подовжньому магнітному полі. Розраховано коефіцієнт проходження електромагнітних хвиль через зразок і проведено аналіз змін у спектрі проходження, обумовлених зміною магнітних фаз. Показано, що поляритонні ефекти різноманітні для різних магнітних структур і для кожного з допустимих сценаріїв зміни фаз характерні свої зміни в спектрі проходження. За характером змін можна судити про наближення до точок фазового переходу. Таким чином, спектр проходження електромагнітних хвиль дає можливість відновити фазову діаграму, визначити частоти АФМР у різних фазах і за допомогою їх відновити константи спінового гамільтоніана La2CuO4.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Криворучко В.Н., Соловьева (Примак) Т.Е., Яблонский Д.А. Электроактивные магнитные поляритоны в a-Fe2O3 // Оптика и спектроскопия. - 1990. - T.68, № 4. - C.942-946.

2. Криворучко В.Н., Примак Т.Е. Невзаимность спектра поверхностных магнитных поляритонов в a-Fe2O3 // Тезисы докладов XXVI Всесоюзного Совещания по физике низких температур. - Донецк. - 1990. C. 215-216.

3. Криворучко В.Н., Примак Т.Е. Поверхностные обменные поляритоны в a-Fe2O3 // ФТТ. - 1991. - T.33, № 11. - C.3205-3215.

4. Krivoruchko V.N., Primak T.E. Surface exchange polaritons on semi-infinite a-Fe2O3 // - Book of Abstracts of the 2nd International symposium on physics of magnetic materials. - Beijing, China. - 1992. - P.4B-07.

5. Krivoruchko V.N., Primak T.E. Magnetic polaritons in La2CuO4+y near the insulator-metal transition // Phys. Letters A. - 1992. - V.164. - P.310-314.

6. Криворучко В.Н., Примак Т.Е. Магнитные поляритоны в La2CuO4+y // Тезисы докладов 15 Пекаровского совещания по теории полупроводников. -Львов. - 1992. -С.78.

7. Krivoruchko V.N., Primak T.E. Magnetic polaritons in La2CuO4+y near the insulator-metal transition // Book of Abstracts of the International symposium on high -Tc superconductivity and tunnelling phenomena. - Donetsk. - 1992. -P.29.

8. Криворучко В.Н., Примак Т.Е. Магнитная структура, фазовые переходы и особенности распространения электромагнитных волн в La2CuO4+y // ФНТ. - 1993. - T.19, № 8. - C.871-882.

9. Krivoruchko V.N., Primak T.E. Magnetic polaritons and antiferromagnetic phases in La2CuO4 near the insulator-metal phase transition // In proceedings of the workshop of Ukrainian-French symposium "Condenced matter:science & industry". - Lviv, Ukraine. - 1993. - P. 282.

10. Криворучко В.Н., Примак Т.Е. Особенности распространения электромагнитных волн в La2CuO4 в продольном магнитном поле // Тезисы докладов VI научного семинара "Физика магнитных явлений". - Донецк. -1993. - C. 155.

11. Примак Т.Е. Поверхностные обменные поляритоны вблизи индуцированного фазового перехода II рода в a-Fe2O3 // ФТВД. - 1997. - T.7, № 4. - C.46-52.

12. Примак Т.Е. Резонансное усиление рассеяния поверхностных магнитных поляритонов вблизи спин-переориентационного фазового перехода II рода // ФТВД - 1999. - T.9, № 4. - C.99-103.

13. Krivoruchko V.N., Primak T.E. Scattering of Surface Magnetic Polaritons Near the Spin-Reorientation Phase Transition Point // Book of Abstracts 18 European Conference on Surface Science (ECOSS 18). - Wienn, Austria. - 1999. -TU-P-164.

14. Криворучко В.Н., Примак Т.Е. Рассеяние поверхностных магнитных поляритонов на флуктуациях параметра порядка вблизи магнитных фазовых переходов II-го рода // Оптика и спектроскопия. - 2000. -T.88, № 1. - C.62-69.

СПИСОК ЦИТОВАНИХ РОБІТ

1. Агранович В.М., Миллс Д.Л. Поверхностные поляритоны. -М.: Наука, 1985. -525 с.

2. Sanders R.W., Belanger R.M., Motokawa W., Jaccarino V. Far-infrared laser study of magnetic polaritons in FeF2 and Mn impurity mode in FeF2:Mn // Phys. Rev. B. -1981. - V. 23, № 3. - P. 1190-1204.

3. Sarmento E.F., Tilley D.R. Magnetic polaritons in the spin-flop phase of uniaxial antiferromagnets // J. Phys. C. -1977. - V. 10, № 21. - P.4269-4282.

Примак Т. Ю. Обмінні магнітні поляритони в багатопідграткових магнетиках. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.11 - магнетизм. - Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, Донецьк, 2000.

У дисертації на прикладі добре вивченого АФМ - a-Fe2O3 (гематит) -досліджені особливості розповсюдження власних електромагнітних хвиль та умови створення об`ємних та поверхневих магнітних поляритонів в багатопідграткових магнетиках. Проведені для a-Fe2O3 оцінки дозволяють сподіватися на експериментальне спостереження електроактивних спінових коливань оптичними методами. Досліджено розсіяння поверхневих магнітних поляритонів у гематиті, викликане просторовими флуктуаціями параметру порядку поблизу спін-переорієнтаційних фазових переходів ІІ роду. Виявлено, що в характерних областях спектру розсіяння поверхневих магнітних поляритонів буде резонансно підсилюватися, і, як свідчать оцінки, існує можливість експериментального спостерігання розсіяння поверхневих магнітних поляритонів на флуктуаціях показника заломлення поблизу фазового переходу ІІ роду. Вивчено вплив близькості двовимірного переходу метал-диелектрик в La2CuO4+y на розповсюдження фотон-магнонних мод. Характерні поляритонні ефекти в розрахованих спектрах проходження дозволяють сподіватися на те, що магнітні поляритони можуть бути використані як інструмент для дослідження матеріалів з аномально великим значенням діелектричної сприйнятливості. Одержані частотно-польова діаграма та компоненти тензора високочастотної магнітної сприйнятливості для АФМ структур, які можуть бути реалізовані в провздовжному магнітному полі. Розраховано коефіцієнт проходження електромагнітних хвиль через зразок та проведено детальний аналіз змін у спектрі проходження, обумовлених зміною магнітних фаз. Показано, що характерні зміни у спектрі проходження електромагнітних хвиль дозволяють відновити фазову діаграму, визначити частоти АФМР в різних фазах та за допомогою їх відновити константи спінового гамільтоніану La2CuO4.

Ключові слова: магнітні поляритоны, багатопідгратковий магнетик, обмінні коливання, коефіцієнт проходження, розсіювання магнітних поляритонів, фазовий перехід.

Prymak T.Yu. Exchange magnetic polaritons in many-sublattice magnets. - Manuscript.

The thesis for candidate`s degree by speciality 01.04.11 - magnetism. A.A.Galkin Donetsk Physics&Technology Institute, National Academy of Sciences of the Ukraine, Donetsk, 2000.

The features of the propagation of eigen-electromagnetic waves and conditions of volume and surface magnetic polaritons formation in many-sublattice magnets are investigated in thesis on an example of well investigated AFM - a-Fe2O3 (hematite). Performed for a-Fe2O3 estimations allow to hope for experimental detection of electroactive spin oscillations by optical methods. The scattering of surface magnetic polaritons in hematite due to the order parameter spatial fluctuations near the spin-reorientational phase transition is investigated. It is found that in characteristic areas of a spectrum the scattering of surface magnetic polaritons has a resonance character. This fact makes the scattering of surface magnetic polaritons due to dielectric susceptibility fluctuations promising for experimental observation. The effect of two-dimensional insulator-metal transition in La2CuO4 on the propagation of photon-magnon modes is investigated. Characteristic polariton structures in calculated transmission spectra show that magnetic polaritons can be used as a tool for studying of materials with great values of dielectric susceptibility. The frequency-field diagram and components of the tensor of the high-frequency magnetic susceptibility are received for AFM structures realized in La2CuO4+y in a longitudinal magnetic field. The coefficient of the electromagnetic waves propagation through a sample is calculated, and the changes in the propagation spectrum due to the switch-over of the magnetic phases are analysed. Characteristic changes in a spectrum of electromagnetic waves propagation are shown to allow to restore the phase diagram, to determine AFMR frequencies in various phases and on their basis to restore the constants of the spin Hamiltonian of La2CuO4.

Key words: magnetic polaritons, many-sublattice magnet, exchange oscillations, transmission coefficient, magnetic polaritons scattering, phase transition.

Примак Т. Е. Обменные магнитные поляритоны в многоподрешеточных магнетиках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 - магнетизм. Донецкий Физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины, Донецк, 2000.

Диссертация посвящена исследованию особенностей распространения электромагнитных волн в многоподрешеточных магнетиках, связанных с образованием объемных и поверхностных поляритонов вблизи частот обменных колебаний спиновой подсистемы. На примере хорошо изученного АФМ - a-Fe2O3 (гематит) - впервые исследованы особенности распространения собственных электромагнитных волн и условия образования магнитных поляритонов электроактивного типа, когда взаимодействие со спиновой подсистемой кристалла осуществляется электрической компонентой поля, при различных геометриях опыта. Рассмотрен характер распространения электромагнитных волн вдоль поверхности многоподрешеточных АФМ во внешнем магнитном поле при различных геометриях опыта. При определенной взаимной ориентации внешнего поля, нормали к поверхности и направления распространения наблюдается невзаимность распространения обменных поверхностных магнитных поляритонов, когда моды, распространяющиеся в двух противоположных направлениях, имеют различные дисперсионные соотношения, и соответственно скорости, поляризации и фотонное наполнение. С помощью параметров спинового гамильтониана a-Fe2O3 оценена область существования объемных и поверхностных поляритонов. Показано, что наличие обменных спиновых колебаний, расположенных в инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн, делает многоподрешеточные магнетики перспективными объектами для экспериментального наблюдения обменных поляритонов.

Исследовано рассеяние поверхностных магнитных поляритонов в гематите, обусловленное пространственными флуктуациями параметра порядка в окрестности спин-переориентационных фазовых переходов II-го рода. Получены выражения для функций Грина, позволяющих исследовать отклик системы на некоторое внешнее воздействие, например, на падающую световую волну, в случае электроактивных колебаний в четырехподрешеточном АФМ. Вблизи частот обменных магнитных колебаний получены выражения для интенсивности рассеянного в вакуум излучения, которое может наблюдаться экспериментально с помощью обычных приемников. Обнаружено, что в характерных областях спектра рассеяние поверхностных магнитных поляритонов будет резонансно усиливаться, что, как показывают оценки, дает возможность экспериментального наблюдения рассеяния поверхностных магнитных поляритонов на флуктуациях показателя преломления вблизи спин-переориентационных фазовых переходов II-го рода.

Представлены возможности магнитных поляритонов в качестве инструмента для исследования динамики систем с большими значениями диэлектрической проницаемости, в которых нарушаются условия наблюдения однородного магнитного резонанса. Впервые изучено влияние близости двумерного перехода металл-диэлектрик в La2CuO4 на распространение собственных фотон-магнонных мод. Рассчитаны спектры прохождения электромагнитных волн вблизи частот магнитных поляритонов и изучено влияние толщины пластины, величины диэлектрической постоянной и ширины линии на интенсивность поляритонных эффектов. Характерные поляритонные структуры в рассчитанных спектрах прохождения показывают, что изучение собственных электромагнитных волн среды является адекватным методом для исследования динамики систем с большими значениями диэлектрической проницаемости. Обнаружено, что электромагнитная волна, имеющая компоненту электрического поля, параллельную CuO2 слоям, демонстрирует более выраженые поляритонные эффекты, что связано с расходимостью соответствующей компоненты диэлектрической проницаемости вблизи двумерного фазового перехода металл-диэлектрик.

Получены частотно-полевая диаграмма и компоненты тензора высокочастотной магнитной восприимчивости для АФМ структур, реализуемых в La2CuO4 в магнитном поле вдоль легкой оси кристалла. Рассчитан коэффициент прохождения электромагнитных волн через образец вблизи частот собственных магнитных колебаний и проведен детальный анализ изменений в спектре прохождения, обусловленных сменой магнитных фаз. По характеру изменений можно судить о приближении к точкам фазового перехода. Обнаружено, что для каждого из допустимых сценариев смены фаз характерны свои изменения в спектре прохождения, что позволяет по спектру прохождения электромагнитных волн восстановить фазовую диаграмму, определить частоты АФМР в различных фазах и по ним восстановить константы спинового гамильтониана La2CuO4.

Ключевые слова: магнитные поляритоны, многоподрешеточный магнетик, обменные колебания, коэффициент прохождения, рассеяние магнитных поляритонов, фазовый переход.

Підписано до друку 10.04.2000 р. Формат 60х84/16. Папір типографський.

Офсетний друк. Умов.-друк. арк. 1. Тираж 100 прим. Замовлення № 68.

Видавництво Донецького державного університету,

340055, м. Донецьк, вул. Університетська, 24

Надруковано: Лабораторія комп`ютерних технологій Донецького державного університету,

340055, Донецьк, вул. Університетська, 24