Влияние постоянного и переменного электрических полей на магнитный резонанс в магнитоупорядоченных веществах

Объединение законов электричества и магнетизма в единую наукуэлектродинамику относится к числу наиболее значительных открытий, которое качественно изменило условия жизни на Земле. Решающее значение здесь сыграли два явления. Первое — это явление электромагнитной индукции, позволяющее создавать электрические поля с помощью магнитных. На нем основана работа генераторов тока и трансформаторов. Второе — действие магнитного поля на проводник с током, которое обеспечивает работу электродвигателей. В электротехнических конструкциях перечисленных выше важное место занимает ферромагнетики — вещества с параллельной ориентацией атомных магнитных моментов. Применением в электротехнике ферромагнетики обязаны своим магнитным свойствам, поэтому подавляющее число исследований магнитоупорядоченных веществ (магнетиков) связано с изучением их поведения в постоянном и переменном магнитных полях [1].

Гораздо менее известны исследования свойств магнетиков в электрических полях. Интерес к их изучению появился после экспериментально обнаруженного магнитоэлектрического эффекта [2] -намагничивания вещества электрическим полем, предсказанного теоретически Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшицем [3]. Сперва этот эффект наблюдался в веществах, называемых антиферромагнетиками. В них, в отличие от ферромагнетиков, атомные магнитные моменты ориентированны так, что суммарная намагниченность оказывается близкой к нулю. Однако антиферромагнитное упорядочение не является обязательным условием существования магнитоэлектрического эффекта. Необходимо, чтобы антиферромагнетик имел определенную симметрию кристаллической решетки. Различные вопросы, связанные со статическим магнитоэлектрическим эффектом, наиболее полно рассмотрены в монографии [4].

Для наблюдения магнитоэлектрического эффекта обычно используются постоянные электрические поля. В переменных электрических полях следует ожидать более разнообразного поведения магнетиков всех типов, а не только антиферромагнетиков. Впервые на это было обращено внимание в работах [5−9]. Систематическое теоретическое изучение свойств магнетиков в переменных электрических полях началось с работ Е. А. Турова [10−14].

Целью данной диссертационной работы является исследование влияния постоянного и переменного электрических полей на высокочастотные и резонансные свойства магнитных кристаллов следующих типов: орторомбического, ромбоэдрического, тетрагональных типа трирутилов, кристаллов без центра симметрии типа KNiP04. Были решены следующие конкретные задачи:

• получены выражения для спектров частот антиферромагнитного резонанса (АФМР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для магнетиков указанных типов в постоянном электрическом поле;

• проанализированы условия возбуждения различных ветвей электроактивных магнонов переменным электрическим полем;

• теоретически исследовано поведение сигналов ЯМР в переменных электрических и магнитных полях.

Научную новизну диссертации составляют следующие положения:

• показано, что кроме тривиального влияния электрического поля на частоту ЯМР через суммарную намагниченность, обусловленную магнитоэлектрическим эффектом, существует также независимый механизм непосредственного влияния постоянного электрического поля на локальное поле на ядрах, которое, в частности, может приводить к дополнительному расщеплению частот;

• предсказано, что влияние электрического поля на частоты АФМР в KNiPC>4 испытывает обменное усиление, которое отсутствует в других, исследовавшихся ранее, магнитоэлектрических веществах с центром симметрии;

• установлено, что в KNiP04 на частотах АФМР резонансный отклик испытывают не только колебания намагниченности, но и электрической поляризации;

• проанализирована возможность возбуждения сигналов ЯМР в магнитоупорядоченных веществах переменным электрическим полем и регистрации их с помощью переменной составляющей вектора поляризации.

Научная и практическая ценность. Работа относится к новому научному направлению — изучению статических и динамических (ВЧ, СВЧ и оптического частотного диапазонов) электрических свойств магнетиков. Предсказан ряд новых эффектов, связанных с поведением магнетиков в переменных электрических полях. Можно ожидать, что экспериментальное обнаружение таких эффектов поможет разработать новые методы изучения структуры и свойств магнетиков.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

• использованием моделей и методов расчетов, опробованных при решении других задач;

• совпадение с известными результатами при предельном переходе к рассмотренным ранее моделям.

Личный вклад автора состоял в проведении всех расчетов, участие в обсуждении полученных результатов и формировании выводов.

Апробация работы. Результаты работы опубликованы в статьях [1517], докладывались на конференциях: XXVIII международная зимняя школа физиков-теоретиков Коуровка-2000, XVII конференция Новые магнитные материалы микроэлектроники, XXX международная зимняя школа физиков-теоретиков Коуровка 2004, научная сессия Института Физики Металлов УрО.

РАН по итогам 2003 г., международный симпозиум и летняя школа Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах.

Гпава 1 Магнитное упорядочение и магнитные взаимодействия в кристалле.

Данная глава является обзорной. В ней излагаются общие принципы описания свойств магнетиков во внешних полях. Эти принципы хорошо разработаны применительно к магнитным и упругим полям. Способы описания свойств магнетиков в электрических полях гораздо менее известны. В частности, взаимодействие, описывающие влияние электрического поля на константу сверхтонкого взаимодействия электронных и ядерных спинов, было впервые рассмотрено в работе [15] с участием диссертанта. Другое, так называемое антиферроэлектрическое взаимодействие, также было введено недавно [4]. В третьей главе диссертации показано, что оно является определяющим при описании высокочастотных свойств кристаллов без центра симметрии.

4.7 Выводы.

1. Кроме тривиального влияния электрического поля на частоту ЯМР через суммарную намагниченность, обусловленную магнитоэлектрическим эффектом, существует также независимый механизм непосредственного влияния постоянного электрического поля на локальное поле на ядрах, которое, в частности, может приводить к дополнительному расщеплению частот;

2. На примере трирутилов предсказывается возможность исследования сигналов ЯМР для уточнения ОМС или ОС в антиферромагнетиках.

3. Показано, что неколлинеарность подрешеток в многоподрешеточной структуре не может подавить влияние постоянного электрического поля на частоты ЯМР.

4. Существует два канала возбуждения сигналов ЯМР переменным электрическим полем. Первый связан с изменением магнитной структуры (т.е обменной магнитной структуры и/или ориентационного состояния) под действием электрического поля. Второйнепосредственное действие электрического поля на систему ядерных спинов, свызанный с изменением сверхтонкой константы под действием электрического поля.

5. Наибольшая амплитуда сигналов ЯМР, при возбуждении электрическим полем, достигается в кристаллах без центра симметрии.

6. Сформулированы условия наблюдения ядерного магнитоэлектрического резонанса (ЯМЭР). Оценена величина амплитуды переменного электрического поля, необходимая для наблюдения ЯМЭР в aFe203, Cr203, KNiP04 и трирутилах.

7. Предложен метод комбинированного ЯМЭР, когда возбуждение сигнала осуществляется с помощью переменного магнитного поля, а регистрируются сигналы электрической поляризации.

Заключение

.

В работе изучено влияние постоянного и переменного электрических полей на высокочастотные и резонансные свойства магнитных кристаллов следующих типов: орторомбического, ромбоэдрического, тетрагональных типа трирутилов и кристаллов без центра симметрии типа KNiP04.

Получены следущие результаты:

1. В антиферромагнитных кристаллах типа KNiP04, не имеющих центра симметрии, теоретически получены магнонные ветви, возбуждаемые как переменным магнитным, так и перменным электрическим полями.

2. Показано, что для сдвига частот АФМР в KNiPC>4 за счет электрического поля должно иметь место обменное усиление.

3. Предложен новый механизм влияния электрического поля Е на частоты ЯМР, обусловленный зависимостью от Е констант сверхтонкого взаимодействия. Показано, что этот механизм приводит к дополнительному расщеплению в спектре ЯМР.

4. Сформулированы условия наблюдения ядерного магнитоэлектрического резонанса (ЯМЭР). Оценена величина амплитуды переменного электрического поля, необходимая для наблюдения ЯМЭР в aFe203, Cr203, KNiP04 и трирутилах.

5. Предложен метод комбинированного ЯМЭР, когда возбуждение сигнала осуществляется с помощью переменного магнитного поля, а регистрируются сигналы электрической поляризации.

Автор благодарит член корреспондента РАН, профессора Е. А. Турова за предложенную тему, а также доктора физико-математических наук, профессора А. С. Москвина за руководство на начальном этапе работы.