Физика металлов и металловедение, 2023, T. 124, № 1, стр. 10-16
Особенности проявления флексомагнитоэлектрического эффекта во внешнем магнитном поле
Р. М. Вахитов a, *, Р. В. Солонецкий a, А. Р. Низямова a
a Уфимский университет науки и технологий
450076 Уфа, ул. Заки Валиди, 32, Россия
* E-mail: vakhitovrm@yahoo.com
Поступила в редакцию 20.07.2022
После доработки 23.09.2022
Принята к публикации 12.10.2022
- EDN: KQLORM
- DOI: 10.31857/S0015323022601350
Аннотация
Исследуется влияние магнитного поля на поведение 180-градусных доменных границ в одноосной ферромагнитной пленке с неоднородным магнитоэлектрическим взаимодействием. Показано, что в зависимости от величины и направления поля можно усилить или ослабить флексомагнитоэлектрический эффект в исследуемом в образце. Кроме того, было установлено, что в обратном поле возможен эффект переключения характера взаимодействия источника электрического поля с доменной стенкой с притяжения на отталкивание.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время повышенный интерес вызывают исследования магнитоэлектрических эффектов, наблюдаемых в определенном классе магнетиков, называемых мультиферроиками [1, 2]. Они характеризуются двумя и более параметрами порядка и обладают рядом необычных свойств, которые могут найти применение в устройствах спинтроники и магнитной памяти нового поколения. К мультиферроикам, как известно, относятся и пленки ферритов-гранатов, в которых и был обнаружен гигантский магнитоэлектрический эффект (линейный) при комнатной температуре [3]. Спустя некоторое время в них был открыт новый эффект подобного типа, заключающийся в явлении смещения доменных границ (ДГ) под действием неоднородного электрического поля [4]. Анализируя данные эксперимента, авторы предположили, что их можно объяснить проявлением флексомагнитоэлектрического эффекта (ФМЭ) [1], т.е. наличием в исследуемых материалах неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия (НМЭВ), впервые рассмотренного в работе [5]. Полученные в [4] результаты инициировали новые исследования в этом направлении [6–11], что позволило более основательно изучить влияние электрического поля на структуру и свойства магнитных неоднородностей различной топологии в магнитных пленках с НМЭВ.
В то же время в работах [12, 13] была предложена другая интерпретация опытных данных [3], которая не связана с “заряженными” ДГ. Она базируется на эффекте возможного изменения константы анизотропии материала, обусловленного смещением однотипных ионов относительно положения равновесия под действием неоднородного электрического поля. Необходимо отметить, что в работе [14] на основе флуоресцентной спектроскопии одиночных молекул была подтверждена флексомагнитоэлектрическая природа наведенной электрической поляризации в пленках ферритов-гранатов. Тем не менее сравнительный анализ приведенных механизмов показал [15], что они оба на качественном уровне вполне объясняют картину поведения ДГ в неоднородном электрическом поле. Отсюда следует, что каждый из механизмов вносит свой вклад в изучаемое явление. Однако какой из них является доминирующим, необходимо выяснить в ходе дальнейших исследований. Кроме того, представляет практический интерес изучение различных факторов (внешних или внутренних), существенно сказывающихся на степень проявления данного эффекта. В частности, в работах [15–19] было показано, что на некоторые свойства ДГ (величину смещения, скорость и т.д.), а также на ее трансформацию в неоднородном электрическом поле существенное влияние оказывает внешнее магнитное поле, и в особенности ее плоскостная компонента [15, 19]. С этой целью в данной работе проводится теоретический анализ влияния внешнего магнитного поля на характер проявления ФМЭ в изучаемых магнетиках.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассматривается одноосный ферромагнетик в форме пленки толщиной D. Предполагается, что ось легкого намагничивания перпендикулярной анизотропии направлена вдоль нормали к пленке и параллельна оси Oz (рис. 1), ось Oy совпадает с направлением, вдоль которого образец неоднороден, т.е. вдоль нее происходит вращение магнитных моментов. Вектор намагниченности $~{\mathbf{M}} = {{M}_{{\text{s}}}}{\mathbf{m}}~$ (${{M}_{{\text{s}}}}~$ – намагниченность насыщения) выражается через единичный вектор m, определяемый через переменные ${{\theta }}$ и ${{\varphi :}}$
Энергия магнетика, приведенная к площади сечения пленки плоскостью xOz, берется в виде:
(1)
$\begin{gathered} Е = \int\limits_{ - \infty }^\infty {\left\{ {A\left[ {{{{\left( {\frac{{d\varphi }}{{dy}}} \right)}}^{2}} + {\text{co}}{{{\text{s}}}^{2}}{{\varphi }}{{{\left( {\frac{{d\theta }}{{dy}}} \right)}}^{2}}} \right]} \right.} + {{K}_{{\text{u}}}} \times \\ \left. { \times _{{_{{_{{}}^{{}}}}^{{}}}}^{{^{{^{{^{{^{{}}}}}}}}}}\left( {{\text{si}}{{{\text{n}}}^{2}}{{\theta co}}{{{\text{s}}}^{2}}{{\varphi }} + {\text{si}}{{{\text{n}}}^{2}}{{\varphi }}} \right) + {{{{\varepsilon }}}_{{{\text{int}}}}} + {{{{\varepsilon }}}_{{\text{H}}}} + {\text{\;}}2{{\pi }}M_{{\text{s}}}^{2}{\text{si}}{{{\text{n}}}^{2}}{{\varphi }}} \right\}dy{\text{\;}}.{\text{\;}} \\ \end{gathered} $(3)
${{{{\varepsilon }}}_{{{\text{int}}}}} = {{M}_{{\text{s}}}}E\left( {{{b}_{1}}{\mathbf{m}}{\text{div}}{\mathbf{m}} + {{b}_{2}}\left[ {{\mathbf{m}} \times {\text{rot}}{\kern 1pt} {\mathbf{m}}} \right]} \right){\text{\;}},$(4)
$E = {{{{E}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{E}_{0}}} {{\text{c}}{{{\text{h}}}^{{ - 1}}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{c}}{{{\text{h}}}^{{ - 1}}}}}\left( {{y \mathord{\left/ {\vphantom {y {{{L}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{L}_{1}}}}} \right),\,\,\,\,H = {{{{H}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{H}_{0}}} {{\text{c}}{{{\text{h}}}^{{ - 1}}}}}} \right. \kern-0em} {{\text{c}}{{{\text{h}}}^{{ - 1}}}}}\left( {{y \mathord{\left/ {\vphantom {y {{{L}_{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{L}_{2}}}}} \right),$Тогда выражение для ${{\varepsilon }_{{{\text{int}}}}},$ записанное через угловые переменные, примет вид:
Структура и свойства магнитных неоднородностей определяются из уравнений Эйлера–Лагранжа, которые имеют вид:
(6)
$\begin{gathered} ~\frac{d}{{d\xi }}\left( {{{{\cos }}^{2}}\varphi ~\frac{{d\theta }}{{d\xi }}} \right) - \sin \theta \cos \theta {{\cos }^{2}}\varphi + \\ + \,\,\left( {{{\lambda }_{1}} + {{\lambda }_{2}}~} \right)f\left( \xi \right)\sin \theta {{\cos }^{2}}\varphi d\varphi \frac{{d\varphi }}{{d\xi }} + \\ + \,\,{{\lambda }_{2}}~\sin \theta \sin \varphi \cos \varphi \frac{{df\left( \xi \right)}}{{d\xi }} - \frac{{\frac{{\partial {{\varepsilon }_{{\text{H}}}}}}{{\partial \theta }}}}{{{{M}_{{\text{s}}}}{{H}_{{\text{u}}}}}} = 0; \\ \frac{{{{d}^{2}}\varphi }}{{d{{\xi }^{2}}}} - \sin \varphi \cos \varphi \left[ {{{{\cos }}^{2}}\theta - {{{\left( {\frac{{d\theta }}{{d\xi }}} \right)}}^{2}}} \right] - \\ - \,\,\left( {{{\lambda }_{1}} + {{\lambda }_{2}}} \right)f\left( \xi \right)\sin \theta {{\cos }^{2}}\varphi \frac{{d\theta }}{{d\xi }} + \\ + \,\,\left( {{{\lambda }_{1}}{{{\cos }}^{2}}\varphi + {{\lambda }_{2}}{{{\sin }}^{2}}\varphi } \right)\cos \theta \frac{{df\left( \xi \right)}}{{d\xi }} - \frac{1}{{{{M}_{{\text{s}}}}{{H}_{{\text{u}}}}}}\frac{{\partial {{\varepsilon }_{{\text{н}}}}}}{{\partial \varphi }} - \\ - \,\,{{Q}^{{ - 1}}}\sin \varphi \cos \varphi = 0. \\ \end{gathered} $Численный анализ этих уравнений с учетом НМЭВ показал [21], что в одноосных ферромагнетиках при h = 0 в зависимости от выбранных граничных условий, налагаемых на ${{\theta }}$ и ${{\varphi }}$ при $\left| \xi \right| \to \infty ,$ возможно существование трех типов микромагнитных структур. Таковыми являются 180° ДГ с некруговой траекторией вектора намагниченности [24], 0° ДГ с квазиблоховской структурой [24, 25], 0° ДГ неелевского типа [25]. В данной работе основное внимание будет уделено поведению 180° ДГ в исследуемом ферромагнетике во внешнем магнитном поле, что связано с аналогичными экспериментальными исследованиями ФМЭ [15, 19], в которых наблюдали только такой тип границ.
3. ТРАНСФОРМАЦИЯ 180° ДГ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ, H = 0
Очевидно, 180° ДГ блоховского типа во внешнем магнитном поле H будет трансформироваться, однако характер этих изменений будет зависеть как от величины, так и от ориентации поля H относительно плоскости ДГ. При этом случай, когда H || Oz, для 180° ДГ не имеет смысла рассматривать, так как такое поле приведет лишь к смещению ДГ как целого.
Рассмотрим сначала случай h = 0. Численное исследование уравнений (6) (здесь рассматривается случай ${{{{\lambda }}}_{1}} = {{{{\lambda }}}_{2}} = \lambda $) показывает [21], что 180° ДГ блоховского типа при действии на нее неоднородного электрического поля претерпевает ряд трансформаций ее текстуры при возрастании величины ${{\lambda :}}$ 180° ДГ блоховского типа $ \to $ 180° ДГ с квазиблоховской структурой $ \to $ 180° ДГ с квазинеелевской структурой $ \to {\text{\;}}$ 180° ДГ неелевского типа. Магнитные неоднородности, находящиеся в данной цепочке превращений в промежуточных позициях, относятся к ДГ с некруговой траекторией вектора намагниченности [10, 21, 24]. Это означает, что магнитные моменты в обоих типах ДГ имеют как блоховскую (mx ≠ 0), так и неелевскую (my ≠ 0) компоненты. Однако их отличие заключается в том, что 180° ДГ с квазиблоховской структурой не имеет участков с чисто неелевским законом поворота магнитных моментов (my = 0), а во втором типе такие участки имеются.
Следует отметить, что каскад трансформаций структуры 180° ДГ, возникающих при возрастании электрического поля, сопровождается вначале индуцированием в окрестности 180° ДГ связанных зарядов, и последующим возрастанием электрической поляризации (как ее дифференциальной величины р = $\nu {{p}_{0}},$ так и интегральной – $P = N{{p}_{0}},$ где ν и N – приведенные, дифференциальная и интегральная поляризации, ${{p}_{0}} = {{M_{{\text{s}}}^{2}{{b}_{j}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{M_{{\text{s}}}^{2}{{b}_{j}}} {{{\Delta }_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{\Delta }_{0}}}}$ – характерная величина поляризации [21]). При достижении полем значения ${{\lambda }} = {{{{\lambda }}}_{{\text{с}}}},$ при котором 180° ДГ становится полностью неелевской, на графике зависимости N = N($\lambda $) (рис. 2, черная кривая) имеется излом: резкий подъем сменяется участком медленного (адиабатического) возрастания величины N.
4. ТРАНСФОРМАЦИЯ 180° ДГ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, λ = 0
Рассмотрим влияние внешнего магнитного поля на структуру и свойства 180° ДГ. Положим, что H || Ox и совпадает с направлением магнитных моментов в плоскости ДГ при y = 0. При этом магнитные моменты образуют с полем угол ${{\psi ,}}$ лежащий в интервале $0 \leqslant {{\psi }} \leqslant {{{{\theta }}}_{0}},$ где ${{{{\theta }}}_{0}} = \arcsin \left( {\text{h}} \right).$ Анализ уравнений (6) для данного случая показывает, что в отсутствие электрического поля (λ = 0) намагниченность в доменах ${{{\mathbf{M}}}_{0}}$ составляет с осью Oz угол ${{{{\theta }}}_{0}}.$ Соответственно, 180° ДГ блоховского типа при действии магнитного поля h становится уже (180°–${\text{2}}{{{{\theta }}}_{0}}$) с законом поворота вектора m в стенке, определяемый выражениями (при ${{l}_{2}} \to \infty $):
(7)
${{\theta }} = 2{\text{arctg}}\left\{ {{{\left[ {1 - \sqrt {1 - {{h}^{2}}} {\text{th}}\left( {\frac{{\sqrt {1 - {{h}^{2}}} \xi }}{2}} \right)} \right]} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left[ {1 - \sqrt {1 - {{h}^{2}}} {\text{th}}\left( {\frac{{\sqrt {1 - {{h}^{2}}} \xi }}{2}} \right)} \right]} h}} \right. \kern-0em} h}} \right\},\,\,\,\,{{\varphi }} = 0{\text{\;}}.{\text{\;}}$Отсюда видно, что при возрастании поля h максимальный угол разворота намагниченности ${{{{\theta }}}_{{\text{m}}}}$ в такой ДГ, равный ${{{{\theta }}}_{{\text{m}}}} = \left( {180^\circ - 2{{\theta }_{0}}} \right),$ будет непрерывно уменьшаться, а ее ширина Δ будет увеличиваться (рис. 3).
При достижении полем h критической величины h = 1 (H = ${{H}_{{\text{u}}}})$ предельные ориентации намагниченности в доменах ${{{\mathbf{m}}}_{1}}$ и ${{{\mathbf{m}}}_{2}}$ (${{{\mathbf{m}}}_{1}} = {\mathbf{m}}\left( { - \infty } \right),$ ${{{\mathbf{m}}}_{2}} = {\mathbf{m}}\left( \infty \right)$) становятся параллельными $\left( {{{{\mathbf{m}}}_{1}}\,{\text{||}}\,{{{\mathbf{m}}}_{2}}} \right),$ а ширина такой ДГ неограниченно возрастает. Соответственно, ${{{{\theta }}}_{{\text{m}}}} \to 0$ и стенка исчезает. Однако, если магнитное поле является неоднородным и действует в ограниченной области, представляющей полоску шириной ${{l}_{2}}$ (вдоль оси Oy), то в этом случае согласно расчетам при возрастании h ширина ДГ Δ будет также увеличиваться, но с меньшим углом наклона соответствующей кривой (рис. 3). В то же время угол разворота ${{{{\theta }}}_{{\text{m}}}}$ будет убывать, но предельного значения ${{{{\theta }}}_{{\text{m}}}}$ = 0 он достигнет в значительно больших полях (h > 1).
Если магнитное поле направлено противоположно оси Ох, то 180° ДГ будет трансформироваться по другому сценарию. В данном случае магнитные моменты в доменах начнут также отклоняться от оси Оz в сторону направления поля H, но разворот вектора ${\mathbf{m}}$ будет уже ${{\theta }_{m}} \geqslant \pi .$ При этом структура 180° ДГ станет описываться уже другим распределением намагниченности, имеющем вид (при ${{l}_{2}} \to \infty $):
(8)
$\begin{gathered} {{\theta }} = - 2{\text{arctg}}\left\{ {{{\left[ {1 + \sqrt {1 - {{h}^{2}}} {\text{cth}}\left( {{{\sqrt {1 - {{h}^{2}}} \xi } \mathord{\left/ {\vphantom {{\sqrt {1 - {{h}^{2}}} \xi } 2}} \right. \kern-0em} 2}} \right)} \right]} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left[ {1 + \sqrt {1 - {{h}^{2}}} {\text{cth}}\left( {{{\sqrt {1 - {{h}^{2}}} \xi } \mathord{\left/ {\vphantom {{\sqrt {1 - {{h}^{2}}} \xi } 2}} \right. \kern-0em} 2}} \right)} \right]} h}} \right. \kern-0em} h}} \right\}, \\ ~\varphi = 0. \\ \end{gathered} $Соответственно, годограф вектора намагниченности m будет описывать более “длинную” траекторию на поверхности сферы единичного радиуса $({{{{\theta }}}_{{{\text{\;m}}}}} = {{\pi }} + 2{{{{\theta }}}_{0}}),$ чем в первом случае ориентации H. Таким образом эта стенка представляет (180° + $2{{{{\theta }}}_{0}}$) ДГ. При возрастании h угол ${{{{\theta }}}_{{\text{m}}}}$ будет увеличиваться и в пределе при h = 1 угол ${{{{\theta }}}_{{\text{m}}}} = 2{{\pi ,}}$ т.е. (180° + $2{{{{\theta }}}_{0}}$) ДГ станет уже 360° ДГ. Соответственно, магнитные моменты, расположенные в центре стенки (вблизи y = 0), будут направлены противоположно полю H. Как известно, такая стенка становится неустойчивой относительно флуктуаций вектора намагниченности неелевского типа и при определенной величине поля h [26] схлопывается и исчезает.
Если магнитное поле H направлено вдоль оси Oy, то происходит качественное изменение структуры 180° ДГ в магнитном поле. В этом случае стенка, оставаясь 180-градусной, преобразуется из блоховского типа в квазиблоховскую стенку, т.к. происходит выход намагниченности M из плоскости ДГ (φ $ \ne $ 0). Кроме того, намагниченность в доменах М0 отклоняется от плоскости xOz (совпадающая с плоскостью ДГ) на угол ${{{{\varphi }}}_{0}} = {{\varphi }}\left( \infty \right) \ne 0{\text{\;}}$ (рис. 4, зеленая штриховая линия (1')).
С возрастанием h максимальный угол выхода ${{{{\varphi }}}_{{\text{m}}}}$ увеличивается и при некотором h = h1 достигает значения ${{{{\varphi }}}_{{\text{m}}}} = {{{\pi }} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\pi }} 2}} \right. \kern-0em} 2}.$ При дальнейшем увеличении поля вплоть до h = h2 (при Q = 3, l2 = 1000, h2 = = 0.4) неелевский вклад в структуру ДГ возрастает (my увеличивается), а блоховский – убывает (mx → 0). Наконец при h = h2 стенка становится полностью неелевской. Последующее увеличение h приводит к тому, что стенка становится неустойчивой и схлопывается. При уменьшении размера полосы неоднородности магнитного поля l2 это критическое поле возрастает. В обратном поле процесс трансформации 180° ДГ полностью повторяется, однако угол ${{{{\varphi }}}_{{\text{m}}}}$ в этом случае будет принимать значения противоположного знака.
5. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ 180° ДГ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, (λ $ \ne $ 0)
Изучим теперь влияние внешнего магнитного поля на флексомагнитоэлектрический эффект. Будем считать, что H || Ox, и киральность ДГ такова, что направление магнитных моментов (при y = 0) совпадают с H. Тогда при “включении” поля будет иметь место аналогичная трансформация, рассмотренная в предыдущем разделе: 180° ДГ с квазиблоховской структурой преобразуется в $\left( {180^\circ - 2{{\theta }_{0}}} \right)$ ДГ также с выходом m из плоскости вращения магнитных моментов (рис. 5a). Однако при этом с возрастанием величины h, которое стремится повернуть магнитные моменты вдоль поля (т.е. вернуть их снова в плоскость ДГ при неизменном значении параметра ${{\lambda }}$) максимальный угол выхода ${{{{\varphi }}}_{{\text{m}}}}$ уменьшается (рис. 5б).
Кроме того, понижается и максимальная величина дифференциальной поляризации рm (рис. 6).
Последнее приводит к уменьшению интегральной поляризации N. Однако с возрастанием напряженности электрического поля ${{\mathcal{E}}_{0}}~$ (увеличивается λ) относительное убывание ${{\Delta N} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta N} N}} \right. \kern-0em} N}\left( {\Delta N = N\left( {{{h}_{2}}} \right) - N({{h}_{1}}} \right),{\text{\;}}N{\text{\;}}({{h}_{i}})$ – значения интегральной поляризации, рассматриваемые для разных величин ${{h}_{i}}\left( {i = 1.2} \right),$ но при одинаковом значении λ) будет уменьшаться, пока в пределе не достигнет нуля. В этом случае все кривые $N = N\left( {{\lambda }} \right)$ сходятся в пределе (λ → $\infty $) к одной и той же асимптоте (рис. 2), которой соответствует кривая зависимости 180° ДГ неелевского типа (h = 0). Такое же поведение демонстрируют и кривые зависимости ${{{{\varphi }}}_{{\text{m}}}} = {{{{\varphi }}}_{{\text{m}}}}{\text{\;}}\left( {{\lambda }} \right)$ и ${{{{\nu }}}_{{\text{m}}}} = {{{{\nu }}}_{{\text{m}}}}{\text{\;}}\left( {{\lambda }} \right).$ Отсюда следует, что воздействие магнитного поля с H || Ох, ослабляет ФМЭ. Кроме того, наличие магнитного поля приводит к сглаживанию перехода от 180° ДГ квазинеелевского типа в 180° ДГ типа Нееля (на графиках зависимости N = N(λ)), (рис. 2) отсутствует “излом” кривых), а также – к понижению критического поля ${{{{\lambda }}}_{{\text{с}}}}$ такого перехода.
Если магнитное поле направить противоположно оси Ох, то магнитные моменты в доменах будут отклоняться от оси Оz в обратную сторону и 180° ДГ также преобразуется в $\left( {180^\circ - 2{{\theta }_{0}}} \right)$ ДГ. При этом угол выхода намагниченности из плоскости стенки существенно возрастает (рис. 5), соответственно, возрастает и дифференциальная поляризация ν, что ведет к увеличению интегральной поляризации N (рис. 2). Таким образом, в обратном поле ФМЭ в исследуемом образце значительно усиливается.
Рассмотрим теперь ситуацию, когда на исходный магнетик действует магнитное поле H $\left\| \right.$ Оy. В этом случае 180° ДГ типа Блоха преобразуется под действием магнитного поля в квазиблоховскую стенку уже при ${{\lambda }} = 0.$ При этом намагниченность в доменах ${{{\mathbf{M}}}_{0}}$ отклоняются от плоскости xOz на угол ${{{{\varphi }}}_{0}}$ (рис. 4). При ${{\lambda }} \ne 0$ процесс изменения топологии стенки усиливается; с возрастанием величины $h$ увеличивается как угол ${{{{\varphi }}}_{0}}$ и максимальный угол отклонения от однородного состояния $\left( {{{{{\varphi }}}_{{\text{m}}}} - {{{{\varphi }}}_{0}}} \right),$ так и максимальное значение дифференциальной поляризации νm. Соответственно, повышается и величина интегральной поляризации N (рис. 7).
При этом наблюдается интересная закономерность: чем больше значение h, тем при меньших электрических полях достигается переход квазиблоховской 180° ДГ в неелевскую стенку, в то же время максимальное значение интегральной поляризации уменьшается (рис. 8).
При достижении электрическим полем его критического значения ${{\lambda }} = {{{{\lambda }}}_{{\text{с}}}}$ структура 180° ДГ становится неелевской. При этом на графике зависимости интегральной поляризации N от ${{\lambda }}$ также имеет место излом, аналогично тому, что было при h = 0. Отсюда следует, что при действии магнитного поля H вдоль оси Oy ФМЭ усиливается, но происходит это в малых полях h, а в больших – эффект ослабевает.
В случае, когда направление Н противоположно оси Оу, магнитные моменты, поворачиваясь в сторону поля, в результате образуют угол ${{{{\varphi }}}_{0}} = {{\varphi }}\left( \infty \right),$ который становится отрицательным и понижает максимальный угол выхода намагниченности из плоскости ДГ ${{{{\varphi }}}_{{\text{m}}}}$ (рис. 4). В итоге уменьшаются величины νm и N. При дальнейшим возрастании h, величина N понижается и при некотором значении $h = {{h}_{0}},$ она становятся нулевой, а при h > h0 – отрицательной (рис. 8). Это означает, что 180° ДГ должна будет отталкиваться от источника неоднородного электрического поля. Таким образом, путем переключения направления магнитного поля можно осуществить смену знака поляризации и тем самым изменить характер взаимодействия 180° ДГ с внешним электрическим полем. Полученный результат хорошо согласуется с экспериментальными данными [4]. Он позволяет с помощью электрического и магнитного полей регулировать движение ДГ, что представляет практический интерес.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Таким образом, из приведенных результатов следует, что наличие внешнего магнитного поля оказывает существенное влияние на флексомагнитоэлектрический эффект, наблюдаемый в пленках ферритов-гранатов с НМЭВ. Степень его воздействия зависит как от величины, так и от ориентации магнитного поля относительно плоскости 180° ДГ. В частности, в данной работе структуру 180° ДГ изучали при двух взаимно перпендикулярных направлениях: H || Oх, H || Oу. Согласно расчетам существенное (многократное) усиление эффекта будет иметь место при действии на 180° ДГ электрических и магнитных полей в следующей геометрии: E || Oz, H || Oу, причем наибольший эффект усиления можно достичь уже в малых магнитных полях. Это согласуется с экспериментальными данными [15, 19], из которых следует, что наибольшее смещение ДГ в неоднородном электрическом поле происходит при действии магнитного поля, перпендикулярного плоскости стенки. В данном случае эффект усиления интегральной поляризации N достигается за счет возрастания угла выхода вектора намагниченности из плоскости ДГ. Соответственно, повышается величина объемных магнитных зарядов, определяемая выражением ρν = –Msdiv m [18, 26], что в итоге и приводит к возрастанию параметров и N.
Из полученных результатов следует также, что, меняя ориентацию магнитного поля на противоположную, можно изменить характер проявления флексомагнитоэлектрического эффекта: либо его усилить (в случае H || Oх), либо ослабить. Однако переключением направления H можно достичь также и изменения характера взаимодействия ДГ с электрическим полем с притяжения ДГ на ее отталкивание и наоборот. Данное свойство может иметь важное значение в прикладных разработках. С другой стороны, это свойство указывает на то, что флексомагнитоэлектрический механизм является доминирующим и при воздействии на ДГ неоднородного электрического поля. Дело в том, что перпендикулярное магнитное поле может изменять ширину ДГ, его топологию, но не перемещать его.
Работа выполнена при финансовой поддержки Государственного задания на выполнение научных исследований лабораториями (Приказ МН-8/1356 от 20.09.2021).
Список литературы
Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН. 2012. Т. 182. № 6. С. 593–620.
Spaldin N.A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics // Nature Mater. 2019. V. 18. P. 203–212.
Кричевцов Б.Б., Павлов В.В., Писарев Р.В. Линейное воздействие электрического поля на процессы намагничивания в пленках ферритов-гранатов// Письма в ЖЭТФ. 1989. Т. 31. № 7. С. 77–88.
Логгинов А.С., Мешков Г.А., Николаев А.В., Пятаков А.П. Магнитоэлектрическое управление доменными границами в пленке феррита-граната // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86. № 2. С. 124–127.
Барьяхтар В.Г., Львов В.А., Яблонский Д.А. Теория неднородного магнитоэлектрического эффекта // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 37. № 12. С. 565–567.
Meshkov G.A., Pyatakov A.P., Belanovsky A.D., Zvezdin K.A., Logginov A.S. Writing Vortex Memory Bits Using Electric Field // J. Magn. Soc. Jpn. 2012. V. 36. P. 45–48.
Вахитов Р.М., Харисов А.Т., Николаев Ю.Е. Влияние электрического поля на структуру доменных границ в магнетиках с флексомагнитоэлектрическим эффектом // ДАН. Физика. 2014. Т. 455. № 2. С. 150–152.
Борич М.А., Танкеев А.П., Смагин В.В. Структура и динамические свойства скрученной магнитной доменной границы в электрическом поле // ФТТ. 2016. Т. 58. № 1. С. 63–72.
Борич М.А., Танкеев А.П., Смагин В.В. Микромагнитная структура доменной границы с блоховскими линиями в электрическом поле // ФТТ. 2016. Т. 58. № 7. С. 1329–1337.
Вахитов Р.М., Исхакова Р.Р., Юмагузин А.Р. Магнитные фазы и неоднородные микромагнитные структуры в феррит-гранатовой пленке с ориентацией (210) // ФТТ. 2018. Т. 60. № 5. С. 923–932.
Pyatakov P., Belotelova V.I., Kulikova D.P., Khokhlova N.E., Pyatakova Z.A. Magnetoelectricity in topological magnetic textures // J. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 440. P. 60–62.
Кабыченков А.Ф., Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г. Магнитоэлектрический эффект в пленках гранатов с наведенной магнитной анизотропией в неоднородном электрическом поле // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 9. № 5. С. 304–308.
Арзамасцева Г.В., Балбашов А.М., Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г., Темирязев A.Г., Темирязева М.П. Свойства обладающих магнитоэлектрическим эффектом эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов с (210)-ориентацией // ЖЭТФ. 2015. Т. 147. № 4. С. 793–810.
Veshchunov I.S., Mironov S.V., Magrini W., Stolyarov V.S., Rossolenko A.N., Skidanov V.A., Trebbia J.B., Buzdin A.I., Tamarat P., Lounis B. Direct Evidence of Flexomagnetoelectric Effect Revealed by Single-Molecule Spectroscopy// Phys. Rev. Lett. 2015. V. 115. P. 027 601(5).
Пятаков А.П., Сергеев А.С., Николаева Е.П., Косых Т.Б., Николаев А.В., Звездин А.К. Микромагнетизм и топологические дефекты в магнитоэлектрических средах // УФН. 2015. Т. 185. № 10. С. 1077–1088.
Сергеев А.С., Сечин Д.А., Павленко О.В., Николаева Е.П., Николаев А.В., Косых Т.Б., Пятаков А.П. Влияние магнитного поля на микромагнитную структуру и электростатические свойства доменных границ // Изв. РАН. Сер. физическая. 2013. Т. 77. С. 1523–1526.
Куликова Д.П., Пятаков А.П., Николаева Е.П., Сергеев А.С., Косых Т.Б., Пятакова З.А., Николаев А.В., Звездин А.К. Зарождение цилиндрических магнитных доменов в пленках ферритов гранатов с помощью электрического зонда // ЖЭТФ. 2016. Т. 104. С. 196–200.
Sechin D.A., Nikolaeva E.P., Pyatakov A.P., Nikolaev A.B., Kosykh T.B. The Influence of the Magnetic Field on Electrically Induced Domain Wall Motion // Solid State Phenomena. 2015. V. 233–234. P. 443–446.
Vakhitov R.M., Solonetsky R.V., Gurjanova V.R., Nizyamova A.R., Sechin D.A., Gareev T.T., Pyatakov A.P. Magnetic-field tuning of domain-wall multiferroicity // Phys. Rev. 2021. B 104. P. 144407(1–5).
Магадеев Е.Б., Вахитов Р.М. Топология уединенных магнитных неоднородностей в тонкой ферромагнитной пленке // ТМФ. 2012. Т. 171. № 3. С. 511–518.
Вахитов Р.М., Гареева З.В., Солонецкий Р.В., Мажитова Ф.А. Микромагнитные структуры, индуцированные неоднородным электрическим полем, в магнитодноосных пленках с флексомагнитоэлектрическим эффектом // ФТТ. 2019. Т.61. № 6. С. 1120–112.
Малоземов А., Слонзуски Дж. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами. Мир, 1982. С. 382.
Dzyaloshinskii I.E. Magnetoelectricity in ferromagnets // Europhys. Lett. 2008.V. 83. № 6. P. 67001(1–2).
Плавский В.В., Шамсутдинов М.А., Филиппов Б.Н. Cтруктура и ориентация доменных границ в (111)-пластинах кубических ферромагнетиков // ФММ. 1999. Т. 88. № 3. С. 22–29.
Maksutova F.A, Solonetskiy R.V., Vakhitov R.M., Pyatakov A.P. The electric-field–induced “zero-degree domain walls” in ferromagnets // Europhys. Lett. 2020. V. 129. P. 27004(1–5).
Khodenkov H.E., Kudelkin N.N., Randoskin V.V. The Break-Down of the 360° Bloch Domain Wall in Bubble Magnetic Films // Phys. Status Solidi A. 1984. V. 84. K13.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Физика металлов и металловедение