ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Принципиальная возможность реализации в анти­ферромагнетиках (АФМ) уже в отсутствие внешних магнитного и электриче­ского полей линейного магнитоэлектрического (МЭ) эффекта [1] (например, в АФМ с центром антисимметрии (ЦАС)) в сочетании с низкими полями размаг­ничивания и частотами собственных спиновых колебаний, лежащими в тера- герцовом и ближнем инфракрасном диапазоне, привели к тому, что в настоя­щий момент спинтроника как диэлектрических, так и проводящих АФМ сред и структур на их основе, является одним из наиболее активно развивающихся на­правлений современной физики магнитных явлений [2,3].

Не менее важным оказывается изучение спин-волновой электродинамики АФМ сред и для физики электромагнитных (ЭМ) метаматериалов. Как извест­но, метаматериал представляет собой композитную среду, сформированную пространственно упорядоченным массивом локально резонирующих структур­ных элементов, причем волновые свойства такой среды в длинноволновом пре­деле могут качественно отличаться от волновых свойств отдельных структур­ных элементов, образующих данный метаматериал [4]. .

Необходимость достижения резонансного усиления различных сочетаний электродинамических характеристик композитной среды лежит в основе того, что класс объектов, относящихся к ЭМ метаматериалам, постоянно расширяет­ся. Традиционно исследуемые ЭМ метаматериалы - это, как правило, металл- диэлектрические структуры, но, как известно, уже в однофазной АФМ среде в зависимости от величины внешних параметров принципиально возможно фор­мирование разнообразных как пространственно однородных, так и пространст­венно неоднородных спиновых структур, даже без учета конечных размеров ре­ального магнитного образца. При этом пространственная ориентация спинов в таких структурах может отличаться высокой чувствительностью не только к воздействию постоянных внешних магнитного (H₀) и электрического (E₀) по­лей, но и к изменению величины таких внешних параметров как температура и упругие напряжения [5,6].

временного нарушения и пространственной, и временной инверсии в спин- волновой электродинамике ограниченных обменно коллинеарных АФМ сред представляет весьма существенный не только чисто академический, но и несо­мненный прикладной интерес. Однако до сих пор интенсивные исследования в этом направлении практически не проводились.

Цель работы - теоретическое исследование новых эффектов резонансно­го взаимодействия электромагнитной волны с ограниченным обменно коллине­арным АФМ, обладающим антисимметричным магнитоэлектрическим эффек­том.

Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выяснить дополнительные частотно-зависимые эффекты рефракции, возникающие при прохождении плоской объемной электромагнитной волны TM- (ТЕ-) типа через границу раздела немагнитного диэлектрика и магнито не- скомпенсированного АФМ с ЦАС.

2. Теоретически проанализировать условия, при выполнении которых становится возможным максимальное усиление эванесцентных электромагнит­ных волн TM- (ТЕ-) типа вблизи поверхности полуограниченной прозрачной магнито- или электрически поляризованной АФМ среды, и выяснить возни­кающие в этом случае особенности отражения.

3. На основе феноменологического подхода изучить основные механиз­мы, приводящие к усилению пространственного эффекта Гуса-Хенхен в случае квазиплоской волны TM- или ТЕ-типа, падающей в условиях полного внутрен­него отражения (ПВО) на уединенную границу раздела оптически прозрачных немагнитной и АФМ диэлектрических сред.

4. Определить дополнительные интерференционные эффекты, возникаю­щие при распространении быстрых и медленных объемных электромагнитных волн TM- (ТЕ-) типа вдоль слоя магнитоэлектрического АФМ.

Объект исследования - спин-волновая электродинамика ограниченных магнитных сред и структур в условиях одновременного нарушения пространст­венной и временной инверсии.

Предмет исследования - новые рефракционные эффекты, возникающие при падении плоской ЭМ волны на поверхность магнито скомпенсированного или магнито нескомпенсированного прозрачного АФМ, обладающего анти­симметричным МЭ взаимодействием.

Методы исследования - аналитические и численные методы современ­ной волновой динамики слоистых структур в сочетании с моделями и расчет­ными схемами феноменологической теории магнетизма обменно коллинеарных АФМ сред.

Научная новизна полученных результатов.

E Найдено, что при падении извне на поверхность магнито нескомпенси­рованного обменно коллинеарного легкоосного АФМ плоской объемной волны как TM-, так и ТЕ-типа, гибридизация псевдокирального, гиротропного и анти­симметричного МЭ взаимодействий может приводить к эффекту левой среды, даже если на заданной частоте волны не все компоненты тензоров магнитной и

диэлектрической проницаемостей рассматриваемой АФМ среды одновременно отрицательны.

2. При отражении падающей извне на поверхность оптически прозрачной полуограниченной электрически (или магнитно) поляризованнной АФМ среды плоской объемной волны как TM-, так и ТЕ-типа, максимальное усиление ин­тенсивности возбуждаемой в магнетике эванесцентной ЭМ волны TM- или ТЕ- типа для области ПВО достигается в случае, когда мгновенный поток энергии, переносимый такой волной через границу раздела “АФМ среда - оптически прозрачный диэлектрик“, строго равен нулю в любой момент времени.

3. Отражение плоской объемной волны ТМ-типа от поверхности оптиче­ски прозрачного АФМ диэлектрика может быть аналогичным отражению от поверхности идеального электрического проводника, а отражение плоской объ­емной волны ТЕ-типа - отражению от идеального магнитного проводника. Для этого необходимо, чтобы: 1) у падающей плоской объемной ЭМ волны с поля­ризацией а = р или a = sзначения частоты и угла падения, одновременно удов­летворяли спектру ОПВ соответствующей поляризации; 2) формирование такой ОПВ в АФМ среде было допустимо для рассматриваемой магнитооптической конфигурации.

4. При падении из оптически изотропного диэлектрика на поверхность полуограниченной оптически прозрачной АФМ среды квазиплоской объемной ЭМ волны с поляризацией а = р или a = s и значениями ωи h, одновременно отвечающими спектру ОПВ TM- или ТЕ-типа соответственно, становится воз­можным новый, управляемый внешними магнитным и (или) электрическим по­лями, механизм резонансного усиления пространственного эффекта Гуса- Хенхен.

5. В слое скомпенсированного АФМ с ПАС возможно формирование МЭ магнонов - нового класса распространяющихся гибридных дипольных спино­вых волн, формирование которых возможно только при определенной структу­ре антисимметричного МЭ взаимодействия.

Обоснование и достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций. Достоверность полученных результатов обеспечивается ис­пользованием при анализе адекватных и хорошо апробированных аналитиче­ских и численных методов современной феноменологической теории физики магнитных явлений и волновой теории анизотропных слоистых структур, сов­падением в предельных случаях полученных в диссертации результатов с ре­зультатами, полученными другими авторами, наличием прозрачных физиче­ских аналогий для большинства ЭМ волновых эффектов, впервые найденных в данной диссертации.

Теоретическая значимость. Результаты диссертационной работы в без- диссипативном пределе определяют оптимальные условия, при выполнении ко­торых, с помощью постоянного внешнего электрического и (или) магнитного

поля, можно целенаправленно и эффективно управлять характером прохожде­ния как плоских, так и квазиплоских ЭМ волн TM- или ТЕ-типа, через границу раздела изотропного немагнитного диэлектрика и обменно-коллинеарного как магнито скомпенсировнного, так и магнито некомпенсированного АФМ, с уче­том четности его спиновой структуры. C этой целью было введено понятие особой поверхностной ЭМ волны, т.е. эванесцентной волны, распространяю­щейся вдоль уединенной границы раздела оптически прозрачных сред, причем связанный с этой волной мгновенный поток энергии через границу раздела сред строго равен нулю в любой момент времени.

Практическая значимость. Учитывая тесную аналогию между спин- волновой электродинамикой рассмотренных в диссертации АФМ структур и некоторыми типами ЭМ метаматериалов и ЭМ метаповерхностей, можно рас­считывать, что результаты данной диссертационной работы найдут свое при­менение при разработке и оптимизации разнообразных устройств функцио­нальной магнитоэлектроники.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) В магнито нескомпенсированном АФМ с антисимметричным МЭ взаимодействием возможен диапазон частот и ориентаций волновых векторов, при которых магнетик обладает свойствами левой среды.

2) Для слоя легкоосного АФМ с центром антисимметрии существуют магнитоптические конфигурации, при которых как для волны TM-, так и ТЕ- типа, направление потока энергии вдоль слоя не определяется топологией сече­ния плоскостью падения соответствующей ПВВ в полуограниченном АФМ.

3) В слое однофазного АФМ с антисимметричным МЭ взаимодействием интерференция магнитодипольного и электродипольного механизмов косвен­ного спин-спинового взаимодействия может приводить к формированию ранее неизвестного класса распространяющихся гибридных дипольных волн - безоб- менных МЭ магнонов, не имеющего аналога среди известных магнито или электродипольно активных типов квазистатических спин-волновых возбужде­ний.

4) Для полуограниченного АФМ в постоянном внешнем магнитном или электрическом поле условием максимального усиления амплитуды возбуждае­мой эванесцентной волны TM- или ТЕ-типа является равенство нулю в любой момент времени мгновенного потока энергии через поверхность магнетика. Со­ответствующие сочетания частоты и продольного волнового числа определяют спектр особой поверхностной электромагнитной волны, формирующейся в АФМ среде. Ее резонансное возбуждение сопровождается возникновением аномалий при отражении как для плоской, так и для квазиплоской объемной электромагнитной волны TM- или ТЕ-типа, падающей извне на поверхность магнетика.

Связь с научными программами, планами, темами. Работа над темой диссертации выполнялась в соответствии с тематическим планом ДонФТИ им. А.А. Галкина по темам: «Электронные и магнитные свойства нано- и мезо­скопических сложных систем», 2009-2014, № госрегистрации 0109U004917, бюджетной темой ДонФТИ, выполнявшейся в 2015-2018 г.г. Частично резуль­

таты данной диссертационной работы были получены в рамках совместных российско-украинских исследовательских проектов РФФИ-ГФФИУ: «Новые микроволновые и оптические магнитоэлектрические эффекты в ферритах, ком­позитных наноструктурах и фотонных кристаллах» (номера проектов: 09-02- 90437(P) и Φ28.2∕99(Y)); «Управляемые внешним полем электромагнитные ме­таматериалы на основе магнитных и сегнетоэлектрических наноструктур» (но­мера проектов: ll-02-90425(P) и Ф40.2/100(У)); «Слоистые магнитные структу­ры как управляемые частотно-селективные метаповерхности для электромаг­нитных и акустических волн» (номера проектов: 29-02-14(У) и 14-02-90416 (P)).

В 2014-2015 годах работа соискателя была также поддержана стипендией HAH Украины для молодых учетных.

Личный вклад соискателя. В диссертации изложены результаты иссле­дований, выполненных соискателем самостоятельно и в соавторстве с другими авторами. В работах, вошедших в диссертацию, соискатель принимал непо­средственное участие в выполнении всех этапов этого исследования: формули­ровании целей и задач исследований, выборе теоретических моделей и методов исследования, анализе и представлении полученных результатов в виде статей и докладов.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссерта­ционной работы были доложены и опубликованы в материалах следующих конференций, школ и симпозиумов: International workshop magnetic phenomena in micro- and nanostructures, Donetsk, Ukraine, 27-29 May 2010; IV Euro-Asian Symposium “Trends in MAGnetism” Nanospintronics EASTMAG-2010, Ekaterinburg, Russia, June 28 - July 2, 2010; Международные междисциплинар­ные симпозиумы «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» “Low di­mensional systems”, Rostov-on-Don, Loo, Russia, 3-8 of September 2010; LDS-3, 18-23 OfSeptember 2012; LDS-4, Yuzhny, 15-19 OfSeptember 2014; Международ­ные междисциплинарные симпозиумы «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (Multiferroics-3, Rostov-on-Don, Loo, Russia, 4-8 of September, 2011; Multiferroics-4, Rostov-on-Don, Yuzhny, Russia, 4-7 of September, 2013); The International Conference on Functional Materials (ICFM-2011, Crimea, Partenit, Ukraine, 3-8 October, 2011; ICFM-2013, Crimea, Yalta, Haspra, Ukraine, Septem­ber 29-October 5, 2013); Международные научные конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (ФТТ-2011, Минск, Беларусь, 18-21 октября, 2011; ФТТ-2013, Минск, Беларусь, 15-18 октября 2013); Международные кон­ференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ-ХХП, Аст­рахань, Россия, 17-21 сентября, 2012; НМММ-ХХШ, Москва, МИРЭА - Рос­сийский технологический университет, 30 июня - 5 июля 2018); Международ­ной конференции «Высокие давления - 2012. Фундаментальные и прикладные аспекты» (г. Судак, Крым, Украина, 23-27 сентября 2012 r.); The European Con­ference “PHYSICS OF MAGNETISM 2014 (ΡΜΊ4)” Poland, Poznan, June 23-27, 2014; Moscow International Symposium on Magnetism (29 June - 3 July, 2014; 1-5 July, 2017); 4-й Международный междисциплинарный симпозиум "Физика по­верхностных явлений, межфазных границ и фазовые переходы"(PSP &PT- 2014, Нальчик - и. Южный, 16-21 сентября 2014); VIII Международная научная

конференция «Функциональная база наноэлектроники» (Харьков-Одесса, 28 сентября-2 октября, 2015 τ.); International meeting “Order, Disorder and Properties of Oxides” (ODPO-19, Rostov-on-Don - Yuzhny, Russia, 5-10 of September 2016; ODPO-21, Rostov-on-Don - Shepsy, Russia, 4-9 of September, 2018).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 10 статьях в на­учных журналах из Перечня рецензируемых научных изданий ВАК РФ и 16 сборниках тезисов и трудов международных научных конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, че­тырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 177 страниц, в том числе 138 страниц основного текста, 10 рисунков, 9 приложений и списка литературы из 125 наименований.