WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 9 Параметрическое возбуждение магнитоупругих колебаний монокристаллов гематита в слабых магнитных полях © И.В. Плешаков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: vp_shuv@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 12 октября 2004 г.) Исследованы магнитоупругие колебания, возбужденные радиоимпульсами в тонких монокристаллических пластинах гематита по схеме параллельной параметрической накачки. Показано, что данную методику можно использовать для изучения многомодового спектра собственных колебаний кристаллов в слабых внешних полях (H0 < 200 Oe), а также для измерения в этой области некоторых акустических величин. С помощью эффекта параметрического усиления звука установлено, что с увеличением магнитного поля в спектре собственных колебаний появляются слабозатухающие моды малой интенсивности.

1. Введение 2. Образцы и методика эксперимента Использованные в настоящей работе образцы -Fe2O3 Интерес к легкоплоскостным антиферромагнетикам были синтезированы в Лаборатории физики сегнетоэлексо слабым ферромагнетизмом (слабым ферромагнетитричества и магнетизма ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Покам) вызван в значительной мере тем, что в них можно лученное вещество представляло собой набор сростков наблюдать различные нелинейные явления, связанные и имело по данным рентгеновского анализа некоторую с магнитоакустикой [1]. Относящийся к указанному примесь других оксидов железа. Для эксперимента отклассу материалов гематит (-Fe2O3) обладает весьма бирались удовлетворительные по внешним признакам большой магнитоупругой нелинейностью и с этой точки (гладкость, блеск, огранка) тонкие кристаллы, ориентизрения подробно изучен [2,3]. Показано также, что этот ровавшиеся в магните так, что их плоскости поворакристалл удобен как элемент устройств функциональной чивались параллельно направлению поля. Следовательэлектроники, использующих, в частности, параметричено, они являлись плоскостями легкого намагничивания, ские эффекты [4,5], которые регистрировались и в некочто вообще характерно для морфологии материалов, торых других экспериментах, например в экспериментах родственных гематиту [13]. Основные акустические папо обращению фронта ультразвуковой волны [6] (по раметры кристаллов, как показано далее, очень мало схеме, аналогичной принятой в электроакустике [7]).

расходились с известными литературными данными. ОбВ основе параметрического воздействия лежит переразец, для которого были получены наилучшие результанормировка упругих констант во внешнем магнитном ты, представлял собой почти прямоугольную пластинку поле H0, причем для большинства звуковых мод, возбус поперечными размерами 2 2.5mm и толщиной ждаемых в -Fe2O3, на интервал 0 < H0 < 500-1000 Oe L = 65 µm. Далее все данные приводятся для него.

приходится основное изменение скорости звука [1,8].

Эксперимент ставился по стандартной методике так Здесь, однако, акустический резонанс образца имеет называемой параллельной параметрической накачки [1], сложную многомодовую структуру [8], что затрудняет при которой радиочастотное (РЧ) поле возбуждающего его исследование. В то же время в связи с возникновеимпульса параллельно приложенному к образцу постонием новых задач требуется достаточно детально знать янному магнитному полю. Для того чтобы избежать поведение гематита при малых значениях H0.

возникновения механических напряжений, образец расВ последнее десятилетие интенсивно исследуется возполагался в системе катушек в свободно подвешенном действие света на магнитные материалы. В частности, состоянии. Возбуждающая катушка имела несколько ряд результатов получен для бората железа (см., навитков и соединялась с генератором, который вырапример [9–11]). Акустические методики, примененные батывал радиоимпульсы на несущей частоте 2 для исследования фотомагнетизма в этом сходном с MHz. Их амплитуда достигала 100 V, что по оценке гематитом кристалле, дали ценную дополнительную соответствовало напряженности РЧ магнитного поля hинформацию [12]. Вероятно, следует ожидать, что их в несколько десятков эрстед. Ось катушки (т. е. направлераспространение на другое вещество позволит развить ние поляризации h2) лежала в плоскости образца. Возболее общий подход к фотомагнитным явлениям. Для буждающая последовательность состояла из одного или проведения таких исследований необходимы подробные двух импульсов с длительностью от 1 до 5 µs. Приемная сведения о магнитоупругих свойствах гематита в слабых катушка, в которой непосредственно находился образец, полях, в получении которых и состоит цель настоящей размещалась внутри возбуждающей таким образом, чтоработы. бы их оси были перпендикулярны. Она входила в свя1630 И.В. Плешаков занный с приемным устройством резонансный контур, дополнительных колебаний изгибного типа, не демпфинастроенный на частоту 70 MHz. Постоянное маг- рованных в свободно подвешенных образцах (похожее нитное поле H0 ориентировалось параллельно направ- явление существует в борате железа [14]), а также лению h2 и могло перестроиться в пределах 0-200 Oe. поверхностных и контурных мод [1], которые в криИзмерения выполнялись при комнатной температуре сталлах неправильной формы должны иметь сложный (охлаждение гематита ниже точки Морина TM = 262 K характер. Уменьшением амплитуды и подбором длиприводит к изменению его магнитных свойств). тельности импульса при H0 < 50 Oe за счет проигрыша Известно [14], что по описанной методике в сла- в интенсивности удалось добиться наблюдения почти бом ферромагнетике можно возбудить упругие волны экспоненциально спадающих сигналов. По ним было измерено характерное время затухания звука s (примеры с преимущественным направлением распространения приведены на вставке к рис. 1).

вдоль оси третьего порядка, ортогональной плоскости При H0 > 50 Oe происходило разделение сигнала на кристалла. Выше отмечалось, что в основе механизма параметрического возбуждения лежит явление зависи- индивидуальные моды, при этом индукция для каждой из них приобретала вид, сходный с показанным на рис. 1, b, мости скорости звука vs от постоянного магнитного и убывала монотонно (на осциллограммах все же видны поля [8]. Однородное РЧ-поле импульса, действуя на vs, некоторые биения, однако гораздо менее выраженные, модулирует частоту собственных колебаний образца, представляющего собой акустический резонатор с хо- чем в случае малых полей). Таким образом, в настоящей работе, посвященной исследованиям магнитоупрурошо разрешенными модами. Если частота модуляции удвоена по отношению к собственной частоте резона- гих колебаний в слабых полях, введено дополнительное условное разграничение на „малые“ (до 50 Oe) и „оттора, существующие в нем колебания при соблюдении определенных условий параметрически усиливаются. Ге- носительно большие“ (более 50 Oe) поля, в которых поведение сигнала имеет некоторые качественные разлинерация фактически означает параметрическое усиление чия. Время s, определенное при относительно больших от уровня тепловых шумов и в эксперименте может быть зарегистрирована в виде экспоненциально нараста- полях, практически не отличалось от измеренного для H0 < 50 Oe и составляло примерно 1.5 µs (вставка на ющего в процессе действия импульса сигнала, который рис. 1). Это означает, что при всех H0 возбуждаются возникает после превышения некоторого порога по колебания одной природы, но с понижением поля число амплитуде.

мод на заданном интервале частот возрастает.

Частоты собственных объемных колебаний тонкого vs (H0) образца даются выражением n = n, где n —число 2L длин полуволн звуковых колебаний, укладывающихся на толщине кристалла (номер основной моды). Конечно, приемной катушкой регистрируются только моды с нечетными n, так как суммарная переменная намагниченность, создаваемая стоячей магнитоупругой волной, только для них отлична от нуля. Используя известное значение vs(0) 3000 m · s-1 [8], легко показать, что в = пластине с L = 65 µmпри 70 MHz n = 3.

3. Результаты эксперимента Магнитоупругие колебания, возбужденные по описанному выше механизму, по окончании параметрического импульса релаксировали, наводя в приемной катушке быстро спадающую индукцию, которая и представляла собой исследуемый сигнал. Его вид для двух типичных случаев показан на рис. 1. В постоянных полях приблизительно до 50 Oe (рис. 1, a) индукция сильно осциллировала, что указывало на одновременное возбуждение нескольких типов колебаний, отвечающих Рис. 1. Характерные осциллограммы сигналов магнитолько одному главному номеру n = 3 (ближайшие тоакустической индукции (1 — положение импульса, магнитоактивные моды с n = 3 отстроены от несущей 2 = 140.4MHz, 1 = 3 µs). a — многомодовый режим, малые частоты на несколько десятков мегагерц). Появлеполя (H0 = 25 Oe); b — выделенная (основная) мода, отноние многомодового спектра магнитоупругих колебаний сительно высокие поля (H0 = 143 Oe). На вставке — спады в слабых полях в [8] связывалось с неоднородными сигналов индукции при различных условиях: H0, Oe, 2, MHz, напряжениями и наличием доменной структуры. К этим 1, µs: 1 — 143, 140.4, 3; 2 — 9.5, 140.6, 5; 3 — 31, 140, 8;

факторам следует добавить возможность возбуждения время отсчитывается от начала импульса.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Параметрическое возбуждение магнитоупругих колебаний монокристаллов гематита в слабых... входящих в (1), позволило установить величину наклона полевой зависимости частоты собственных колебаний n = 44.4kHz/Oe (при H0 150 Oe), которая играет Hважную роль в рассматриваемом далее эффекте усиления.

Для описания процесса параметрического воздействия на слабый ферромагнетик в [14,15] получены выражения I = I0ch( ), (2a) 1/n 2 = h2 - 4(n - )2 -, (2b) H0 s где I — амплитуда усиленного (возбужденного) сигнала, I0 — начальная амплитуда колебаний, — инкремент нарастания. Очевидно, что при точном параметрическом n резонансе = h2 -, и по зависимости интенH0 s сивности сигнала от длительности импульса можно легко получить оценку амплитуды импульсного РЧ-поля n (отметим, что условие hc = определяет порогоH0 s вое значение поля hc). В общем случае и, следовательРис. 2. Зависимость частот магнитоупругих колебаний от но, интенсивность сигнала зависят от расстройки n -, величины постоянного магнитного поля ( = 2 µs, показаны что является причиной искажения формы линии акуститолько наиболее интенсивные моды). Точки — эксперимент, ческого резонанса при его регистрации по параметрилинии построены по формуле (1) с использованием v и Hms в качестве подгоночных параметров. 1 — основная мода, ческой методике. Это обстоятельство было исследовано 2, 3 — дополнительные моды.

экспериментально. Характер искажений иллюстрирует рис. 3, на котором показаны резонансные линии, полученные при разных. Из рисунка видно, что для При H0 > 50 Oe из нескольких раздельно наблюдае- достижения максимальной разрешающей способности при заданной амплитуде импульса следует стремиться мых мод была выделена наиболее интенсивная, принятая к уменьшению его длительности.

за основную. Полевая зависимость ее частоты показана При совмещении второго импульса последовательнона рис. 2, где также приведены аналогичные кривые для дополнительных типов колебаний. Если учесть извест- сти с сигналом индукции наблюдалось параметрическое ное выражение для vs(H0) [8], собственная частота акустического резонатора запишется следующим образом:

1/n (C, B) n = v 1 -, (1) 2L H H0 + Hms + HD где v — скорость звука при бесконечном поле, —величина, представляющая собой комбинацию упругих (C) и магнитоупругих (B) констант с соответствующим размерным коэффициентом, Hms — обменно-усиленное эффективное поле магнитострикции, HD —поле Дзялошинского (ответственное за скос магнитных подрешеток в слабом ферромагнетике). Подгонка к экспериментальным данным по формуле (1) проводилась по двум параметрам, наиболее подверженным возможным изменениям от образца к образцу, — v и Hms (другие величины — = 443 Oe и HD = 2.2 · 104 Oe — были взяты из [8]). Результат оказался следующим:

v 5000 m · s-1, Hms 930 Oe. Эти значения отлича= = Рис. 3. Линия акустического резонанса образца (главная ются от приведенных в [8] не более чем на 15-20%, что мода), полученная при разных длительностях возбуждающего можно считать вполне удовлетворительным согласием, импульса., µs: 1 —3, 2 — 2. На вставке — зависимость дополнительно подтверждающим магнитоупругую при- пересчитанной в частотные единицы полуширины резонансной роду наблюдаемых эффектов. Определение параметров, линии от длительности импульса.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1632 И.В. Плешаков пороговое поле расходится с указанным в [1] примерно в 2-3 раза. Поскольку короткоживущая (с s = 1.5 µs) индукция при t12 20-30 µs полностью затухает, следует предположить, что при относительно высоких внешних полях вклад в сигнал вносит некая медленно релаксирующая мода малой интенсивности, происхождение которой пока не ясно. Дополнительным указанием на ее существование являются очень слабые осцилляции, наблюдаемые в индукции при внешних полях H0 > 50 Oe (рис. 1, b), а также возможное проявление немонотонности спада огибающей усиленного сигнала, соответствующее отклонениям экспериментальных точек от прямых линий на рис. 4, b. Это означает, что слабозатухающая мода несколько отстроена по частоте от основной и интерферирует с ней, приводя к появлению в результирующем сигнале биений с небольшой глубиной модуляции. Поскольку точно установить амплитуду слабозатухающей моды невозможно, нельзя также указать точную величину параметрического усиления при больших t12. Согласно грубой оценке, оно достигало 102.

Рис. 4. Зависимость амплитуды параметрически усиленных колебаний от задержки между импульсами t12. a —область ма- 4. Заключение лых полей (H0 = 43 Oe, 1 = 4 µs, 2 = 2 µs), s = 1.3 µs. b — область относительно высоких полей (H0 = 143 Oe, 1 = 4 µs), Таким образом, в настоящей работе с помощью параs = 5-7 µs. 2, µs: 1 —1, 2 —1.5, 3 —2. На вставке — метрической методики изучен спектр собственных магвозрастание амплитуды индукции с увеличением длительности нитоупругих колебаний монокристаллических пластин параметрического импульса (H0 = 143 Oe, 2 = 140.4MHz).

гематита. Показано, что при H0 < 200 Oe он имеет Сплошная линия — расчет по формулам (2) с использованисложную структуру, причем плотность мод нарастает ем h2 в качестве подгоночного параметра (h2 = 18.4Oe).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.