XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

1. Цель работы

Изучение спиральных доменных структур в тонких пленках ферритов-гранатов, их видов и условий возникновения с использованием метода высокочастотной магнитооптики.

2. Введение

Ферриты-гранаты являются перспективными материалами для магноники и спинтроники благодаря возможности формирования в них сложных магнитных доменных структур. В тонких пленках этих материалов под воздействием внешнего магнитного поля и вследствие конкуренции магнитных взаимодействий (обменного, анизотропии, диполь-дипольного) могут возникать нестационарные и стационарные спиральные домены. Эти структуры представляют собой полосовые домены, закрученные в спирали, и их динамика представляет значительный научный и практический интерес.

В Размагниченном состоянии, в такого типа пленках возникает доменная структура представленная на рис.1,2. Лабиринтная доменная структура в пленках ферритов-гранатов появляется как компромисс между энергией намагниченности и энергией магнитного поля, возникающего в пленке, что минимизирует общую энергию системы. Такая структура характеризуется извилистыми, лабиринтоподобными доменами, разделенными границами, что уменьшает магнитную энергию объемного поля. Энергия намагниченности — это энергия, запасенная в материале, когда его атомарные магнитные моменты ориентируются под действием внешнего магнитного поля. Это энергия, которая требуется для намагничивания материала или которая высвобождается, когда материал размагничивается. Лабиринтная структура с чередующимися доменами, которые намагничены в противоположных направлениях рис.1 , позволяет "замкнуть" магнитное поле внутри самой структуры. Это значительно снижает энергию размагничивающего поля, по сравнению с однородным намагниченным слоем.

Спиральные доменные структуры в пленках ферритов гранатов возникают под действием переменного магнитного поля, которое вызывает переориентацию намагниченности в этих доменах. Хотя постоянное поле также влияет на доменную структуру, именно переменное поле с определенной частотой и направлением необходимо для создания вихревых токов и последующей магнитной перестройки, ведущей к образованию спиральных структур. 

Рис. 2. Модель исходной лабиринтарной доменной структуры

Рис.2 Пример исходной лабиринтарной доменной структуры

3. Объекты исследования

В работе исследуются эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов (например, YFeO₃ или аналогичные), выращенные на подложках гадолиний-галлиевого граната (GGG).

Основные параметры образцов:

• Толщина пленки (h)

• Ширина полосовых доменов

• Параметры магнитной анизотропии

Таблица 1. Характеристики исследуемых образцов.

Образец	Состав	L,мкм	P0,мкм	Hs,Э	l*,мкм	Js,Гс	HA,кЭ	Q
1	(Ybi)3(FeGa)5O12	9.1	31,7	36	2.1	7.5	5.0	53
2	(YLubi)3(FeGa)5O12	9.5	33.2	50	2.2	11.0	13.2	96
3	(YLubi)3(FeGa)5O12	15.6	28.5	90	1.5	14.5	11.0	61

L – толщина образца

P₀ – период исходной доменной структуры

H_s– статическое поле насыщения

L ^*– характеристическая длина материала, является мерой ширины домена

J_s– намагниченность насыщения

H_A – поле насыщения

Q – фактор качества

4. Методика эксперимента

Для наблюдения доменных структур использовался метод высокочастотной магнитооптики. Линейно-поляризованный свет проходит через образец феррита-граната, помещенный в магнитное поле. В зависимости от направления намагниченности в разных доменах происходит поворот плоскости поляризации света на разные углы (эффект Фарадея). При прохождении через анализатор эти различия в угле поворота преобразуются в различия в интенсивности света, что делает доменные структуры видимыми в микроскоп. Для изучения динамики процессов применяются импульсные магнитные поля и высокоскоростная регистрация изображений.  Схема экспериментальной установки включает следующие основные элементы:

Рис.3 Блок схема экспериментальной установки

1. Источник света.

2. Импульсная лампа вспышка

3. Собирающая линза

4. Зеркало

5. Поляризатор

6. Образец, размещенный в центре катушки.

7. Катушка переменного поля

8. Катушка постоянного поля

9. Анализатор микроскопа

10. Микроскоп и CCD-камера для регистрации изображения

11. Источник постоянного тока

12. Генератор импульсов

5. Результаты и обсуждение

5.1. Наблюдаемые виды спиральных доменов

В ходе эксперимента были зафиксированы различные типы спиральных доменных структур:

• Одиночные спирали: Изолированные спиралевидные домены.

• Парные спирали (биспирали): Две взаимосвязанные спирали.

• Сложные ансамбли: Множество взаимодействующих спиральных доменов, образующих сетку.

Рис. 4 Виды спиральных доменов в образце №2, при различных амплитудах и частотах переменного магнитного поля

Рис. 4 Виды спиральных доменов в образце №3 при различных амплитудах и частотах переменного магнитного поля

Рис. 5 Виды спиральных доменов в образце №1, при различных амплитудах и частотах переменного магнитного поля

5.2. Объяснение возникновения спиральных доменов

Возникновение спиральных структур объясняется неоднородностью распределения магнитных полей в образце. Под действием высокочастотного поля концы полосовых доменов теряют устойчивость и начинают закручиваться. Это происходит из-за минимизации энергии системы, когда энергия зацепления доменных стенок и их энергия изгиба становятся сравнимыми. Динамическое перемагничивание приводит к тому, что прямолинейные домены "сворачиваются" в спирали, которые являются более энергетически выгодной конфигурацией в данных условиях.

Анализирую результаты наблюдения, можно сделать некоторые предположения о наиболее благоприятных условиях для формирования спиральных доменов. При снижении поля на движущуюся со скоростью v «головку» полосового домена, действует гиротропная сила перпендикулярная скорости. Гиротропная сила действует на движущуюся доменную границу (границу между доменами с разным направлением намагниченности) и вызывает ее отклонение от прямолинейного движения. Это отклонение может приводить к закручиванию или искривлению доменной границы. В определенных условиях, например, при воздействии импульсного или статического магнитного поля определенной конфигурации, это "закручивающее" действие гиротропной силы может способствовать формированию устойчивых или короткоживущих спиральных доменов.

Рис.6 Схема симметричного растягивания цилиндрического магнитного домена в полосовой домен при уменьшении магнитного поля и формирование двухрукавного спирального домена

Рис.7 Схема формирования спирального домена под действием гиротропной силы F_g (a,b,c) и случаи не приводящие к образованию спирального домена если F_g велика (d )и мала (e),при уменьшении магнитного поля

6. Выводы

1. Экспериментально наблюдались различные виды спиральных доменных структур (одиночные, парные, ансамбли) в пленках ферритов-гранатов.

2. Показано, что формирование спиральных доменов является следствием динамической неустойчивости концов полосовых доменов под действием высокочастотного магнитного поля.

3. Образование спиралей обусловлено минимизацией суммарной магнитной энергии системы (энергии стенки, магнитостатической энергии и энергии анизотропии).

4. Метод высокочастотной магнитооптики является эффективным для исследования динамики подобных магнитных структур.

7. Литература

1. Балбашов, А. М.Магнитные материалы для микроэлектроники/ А.М. Балбашов, А.Я. Червоненкис.- Москва: Энергия,1979.

2. Кандаурова, Г.С. Процессы самоорганизации в многодоменных магнитных средах и формирование устойчивых динамических структур / Г.С. Кандаурова, А.Э. Свидерский // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1990. Т. 97, вып.4. - С. 1218-1229.

3. Кандаурова, Г.С. Эволюция спиральных динамических доменов в ангерном состоянии пленок ферритов-гранатов / Г.С. Кандаурова, В.Х. Осадченко, А.А.Русинов, Е.А. Русинова// Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики.- 1996. Т.63, вып.6.- С. 453-456.

4. Кандаурова, Г.С. Трехмерные диаграммы существования индуцированных ангерных состояний многодоменной магнитной среды / Г.С. Кандаурова, А.А.Русинов // Физика твердого тела. - 1998.Т.40, вып.10. - С. 1865-1870. EDN: RYNTUB

5. Кандаурова, Г.С. Фазовые диаграммы динамических систем магнитных доменов / Г.С. Кандаурова, А.А.Русинов //Доклады Академии Наук - 1995.Т.340, N5.- С. 610- 613.

Код для цитирования: Скопировать