Фотоиндуцированное изменение динамического магнитоупругого взаимодействия в иттриевом феррите-гранате

 

Р. А. Дорошенко, С.В. Серегин

Институт физики молекул и кристаллов Российской академии наук, 450065 Уфа, Россия

 

Исследовано воздействие света на эффективность возбуждения и резонансную частоту основной моды контурных упругих колебаний круглой пластины феррита-граната. Обнаружено уменьшение безразмерного параметра динамической магнитоупругой связи. Показано, что под влиянием освещения происходит измене­ния эффективного поля магнитострикции и магнитной анизотропии.

Фотоиндуцированное изменение амплитуды сигналов поглощения при возбуждении нормальных мод упру­гих колебаний является, по-видимому, общим свойством материалов, магнитная проницаемость которых зависит от света. При выборе образцов для исследований мы наблюдали его в монокристаллах и пленках иттриевого феррита-граната на частотах от 0.5 до 100 MHz в зависи­мости от размеров образца и моды колебаний. Как само явление резонансного поглощения энергии переменного магнитного поля при возбуждении упругих колебаний за счет магнитоупругой связи, так и его изменения зависят от магнитных и магнитоупругих параметров материала, структуры возбуждаемых колебаний и условий возбужде­ния. Поэтому исследование упругих свойств магнитных материалов важно для понимания состояния магнитной системы и его изменений в результате внешних воздей­ствий. Однако до настоящего времени была определена зависимость частоты контурной моды упругих колебаний только от величины одноосной магнитной анизотропии, наведенной фотомагнитным отжигом в борате железа [1].

В настоящей работе исследовались монокристаллы Y3Fe5O12 с фотоиндуцированными изменениями магнит­ной анизотропии и магнитострикции [2], выращенные в условиях спонтанной кристаллизациии из растворителя BaO-B2O3 без специальных легирующих добавок. Свой­ства охлажденных в темноте образцов данных монокри­сталлов до и после освещения являются стабильными во времени при температуре 78 K, что упрощает их сравнение для этих двух состояний. Изучалось влияние освещения на контурную моду колебаний образцов в виде круглой пластины. Упругие смещения данной моды параллельны плоским поверхностям образца, совпада­ющим с плоскостями {110} кристалла. Использовалась стационарная методика, аналогичная применяемой для изучения ядерного магнитного резонанса в магнитоупо-рядоченных веществах. Слабо закрепленный в ампуле образец помещался в катушку колебательного контура автогенератора, служащего как для возбуждения, так и для регистрации магнитоупругого резонанса. Произво­дилась запись первой производной сигналов поглощения при модуляции частоты и частотной развертке. Частота моды определялась по показаниям частотомера в мо­мент прохождения максимума поглощения. Катушка с образцом погружалась в расположенный между полюсами магнита сосуд Дьюара с жидким азотом. Засвет­ка осуществлялась в течение 20min лампой накалива­ния КГМ9-70 через стенки ампулы в магнитном поле, ориентированном вдоль направления [110] в плоскости образца. Переменное магнитное поле ориентировалось в плоскости образца перпендикулярно постоянному. За­висимости для засвеченного состояния снимались после выключения света. Для исключения гистерезиса все за­висимости получены при уменьшении величины посто­янного магнитного поля от его максимального значения.

Фотоиндуцированное изменение амплитуды сигнала поглощения при ориентации магнитного поля вдоль оси [110] приведено на рис. 1. Освещение образца приводит к уменьшению амплутуды поглощения и сдвигу максимума кривой зависимости А (Н) в сторону больших полей. Величина изменения амплитуды максимальна в полях, меньших поля насыщения. Аналогичные измене­ния наблюдаются и при ориентации магнитного поля вдоль оси трудного намагничивания, но сдвиг максимума примерно в 2 раза больше.

Изменение частоты контурной моды колебаний при воздействии света приведено на рис. 2 для той же, что и на рис. 1, ориентации магнитного поля. Как и для ам­плитуды поглощения, фотоиндуцированные изменения максимальны в магнитных полях, меньших поля насы­щения. Абсциссы особых точек кривых f(H) совпадают с абсциссами максимумов кривых А(Н). Аномальная зависимость f(H) (df/dH < 0) существует также и при ориентации магнитного поля вдоль оси [100]. При отклонении от этих направлений интервал полей ее су­ществования уменьшается, и при Н || [111] наблюдается только увеличение частоты с ростом поля.

Указанные условия совпадают с условиями наблю­дения ФМР и магнитостатических мод колебаний в образцах с доменной структурой [3,4]. Как и в однородно намагниченном состоянии, существование связанных с упругими модами магнитостатических мод колебаний приводит к динамической перенормировке модулей упру­гости. В данном случае ее величина превышает измене­ние модулей упругости вследствие АЕ- и ДО-эффектов, и аномальный характер f(H) вызван соответствующей полевой зависимостью частоты магнитостатической мо­ды. Излом на графике зависимости f(H), связанный с переходом образца из однородно намагниченного состояния в состояние с доменной структурой, позволяет определить величину поля насыщения Я. При ори­ентации магнитного поля вдоль оси [110] Я = 368 для темнового и 374 Oe для засвеченного состояний, а при Я, направленном вдоль трудной оси, соответственно Я = 506 и 518 Oe. Определенная из разности полей насыщения при намагничивании по трудному и проме­жуточному направлениям величина поля анизотропии составляет 138 Oe для охлажденного в темноте и 144 Oe для освещенного образца. Полученное фотоиндуциро-ванное изменение поля анизотропии находится в согла­сии с результатами измерений, проведенных методом вращательного магнитометра [5].

Для объяснения механизма фотоиндуцированных из­менений магнитоупругого взаимодействия рассмотрим полевую зависимость частоты /(Я) при Я > H_s. Со­гласно [6], она определяется выражением

где /(Я) и fo — частота упругих колебаний в поле Я и при магнитном поле, стремящемся к бесконечности, £ — безразмерный параметр магнитоупругой связи, равный отношению величины магнитоупругой щели к частоте спиновых колебаний в поле Я или отношению соответ­ствующих эффективных полей H_eg = w/7 (u> — частота, 7 —магнетомеханическое отношение).

При Я || (ПО) наиболее сильно связанными с упру­гими колебаниями являются распространяющиеся вдоль магнитного поля спиновые волны. Их частота определя­ется выражением [7]

где До  — внутреннее магнитное поле, Д,  — поле магнитной анизотропии.

Экспериментальные данные хорошо аппроксимируются зависимостью (1), если в выра­жении (2) внутренее магнитное поле До отличается от значения, определяемого действием внешнего Я и раз­магничивающего NMq полей (N — размагничивающий фактор вдоль Я, М_о — намагниченность насыщения), на некоторую величину АН, зависящую от освещения До = Я - NM₀ + АН.

При аппроксимации экспериментальных точек зависи­мостью (1) определялись значения поля магнитострик-ции H_ms, поля АН и частоты /о и использовались определенные выше значения полей насыщения и ани­зотропии. Получены следующие значения параметров: для темнового состояния H_ms = 0.76 Oe и АН = 79 Oe, после освещения H_ms = 0.92 Oe и Д = 164 Oe.

При Я || (100)ш/7 = До + 2Д, параметры имеют значения для темнового состояния H_ms = 0.57Oe и АД = 150 Oe, после освещения H_ms = 0.65 Oe и ДД = 230Oe.

Таким образом, уменьшение динамического магни­тоупругого взаимодействия вызвано увеличением поля. Величина АН и ее изменения примерно на два порядка превышают величину и изменение эффективного поля магнитострикции H_ms, определяющего магнитоупругую щель спиновых колебаний. Фотоиндуцированное изме­нение АН имеет близкие значения как при Я || (110) (85 Oe), так и при Я || (100) (80 Oe). Природа его, вероятно, как и в случае фотоиндуцированного изотроп­ного сдвига частоты ФМР [8], связана с увеличением локальных одноосных компонент анизотропии.

Для рассматриваемой моды максимальная эффектив­ность возбуждения наблюдается в магнитном поле, соот­ветствующем наибольшему сближению частот упругих и спиновых колебаний. Величина параметра магнито­упругой связи в этой точке ограничена значением поля АН.   Увеличение магнитного поля при Я > H_s или

его уменьшение при Н < H_s приводит к увеличению частоты магнитной моды колебаний и уменьшению эф­фективности возбуждения. В доменной области связь спиновых волн с колебаниями границ доменов приводит к расталкиванию частот колебаний. Фотоиндуцирован­ное увеличение жесткости доменных границ приводит к дополнительному увеличению частоты спиновых ко­лебаний, и изменения динамического магнитоупругого взаимодействия больше, чем в состоянии без доменной структуры.

Работа частично поддержана грантом ISFJ49100 и Российским фондом фундаментальных исследований (грант 94-02-04737).

Список литературы

[1] M.H. Seavey. Solid State Commun. 12, 49 (1973).

[2] PA. Дорошенко. Тр. ИОФАН 44, 105 (1992).

[3] В.И. Дудкин, А.И. Пильщиков. В сб.: Магнитные и кристал­лографические исследования ферритов / Под ред. К.П. Бе­лова и Ю.Д. Третьякова. Изд-во МГУ, М. (1971).

[4] А.И. Пильщиков, С.А. Киров. В сб.: Физика и химия магнитных полупроводников и диэлектриков / Под ред. К.П. Белова и Ю.Д. Третьякова. Изд-во МГУ, М. (1978).

[5] Р.А. Дорошенко, М.С. Сетченков, И.В. Владимиров, В.А. Ти­мофеева. ФТТ 34, 2, 377 (1992).

[6] Е.А. Туров, В.Г. Шавров. УФН 140, 429 (1983).

[7] А.Г. Гуревич. Магнитный резонанс в ферритах и антифер­ромагнетиках. Наука, М. (1973).

[8] O. Hiroyuki, U. Kenichi. Jap. J. Appl. Phys. 19, 2513 (1980).

Физика твердого тела, 1997, том 39, № 6