>>

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].

Кроме того, плоская граница раздела с нормалью q сама по себе является источником невзаимности для направлений, параллель­ных q [7], тогда как уже в неограниченной среде включение H0приводит к на­рушению симметрии вращения относительно направления задаваемого H0, а включение E0нарушает симметрию направлений вдоль направления E0. Как следствие, спиновая динамика подобных АФМ сред может отличаться большим количеством как магнито- так и электродипольных резонансов в переменном внешнем электромагнитном и (или) упругом поле, число которых резко возрас­тает с учетом конечных размеров реальных магнитных структур. Данное об­стоятельство представляет значительный интерес и, в частности, с точки зрения перспектив использования АФМ гетероструктур как основы для создания ново­го класса ЭМ метаматериалов и ЭМ метаповерхностей с управляемыми резо­нансными волновыми характеристиками [8]. Таким образом, учитывая все вы­шесказанное, можно утверждать, что последовательный анализ эффектов одно­

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. В даль­нейшем, следуя аналогии с известными в кристаллоакустике и кристаллооптике особыми объемными волнами, такую распространяющуюся поверхностную ЭМ волну в АФМ среде будем называть особой поверхностной волной (ОПВ) TM- или ТЕ-типа соответственно.

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.

| >>
Источник: Тарасенко Артём Сергеевич. ПОВЕРХНОСТНАЯ СПИН-ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА АНТИФЕРРОМАГНИТНЫХ СРЕД C ЦЕНТРОМ АНТИСИММЕТРИИ. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Донецк - 2019. 2019

Еще по теме ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

  1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  2. I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  5. Микрополе «Общая эстетическая оценка»
  6. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
  7. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
  8. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
  9. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
  10. ГЛАВА 2. ЛЕКСИКО-СЕМАНТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ «ХАРАКТЕРИСТИКА ЧЕЛОВЕКА ПО ВНЕШНИМ СВОЙСТВАМ»
  11. Основные положения работы отражены в следующих публикациях.
  12. Характеристики наноразмерных добавок
  13. Характеристика опытных образцов и технология их изготовления
  14. Характеристики используемых порошков
  15. Методика исследования характеристик коммутационного устройства