МАГНИТОАКУСТИ́ЧЕСКИЕ ЭФФЕ́КТЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
МАГНИТОАКУСТИ́ЧЕСКИЕ ЭФФЕ́КТЫ, обусловлены магнитоупругим взаимодействием в магнетиках и немагнитных металлах. В магнитоупорядоченных твёрдых телах магнитоупругое взаимодействие представляет собой взаимодействие упругой подсистемы (кристаллич. решётки) с магнитной (спиновой) подсистемой. В немагнитных металлах магнитоупругое взаимодействие проявляется через взаимодействие упругой подсистемы со свободными электронами металла во внешнем магнитном поле.
Магнитоупругое взаимодействие в магнетиках обычно является слабым, и во многих случаях им можно пренебречь и рассматривать магнитную и упругую подсистемы независимо. Однако в области совпадения частот колебаний спиновой и упругой подсистем, а также в области магнитных и ориентационных фазовых переходов роль магнитоупругого взаимодействия значительно возрастает, что приводит к росту М. э. Магнитоупругое взаимодействие проявляется как в статических, так и в динамич. М. э. К статич. М. э. относится появление магнитоупругих напряжений в магнетиках и дополнит. вклада в магнитную анизотропию. Следствием этого является смещение точек магнитных и ориентационных фазовых переходов и нарушение симметрии кристаллов. К динамич. М. э. относится появление магнитоупругих волн, обусловленных взаимодействием спиновых и упругих волн. Происхождение магнитоупругих волн в магнетиках обусловлено тем, что упругие волны (колебания ионов в кристаллич. решётке) сопровождаются распространением колебаний их магнитных моментов (спинов). В свою очередь, колебания магнитных моментов (спиновые волны) вызывают колебания ионов. В результате появляется связь между фононной (упругой) и спиновой (магнитной) подсистемами в динамике магнетиков. Дисперсионные кривые (зависимости частоты $ω$ от волнового числа $k$) для спиновых, упругих и магнитоупругих волн, распространяющихся вдоль одного из рёбер решётки в кристаллах кубич. симметрии, представлены на рис. 1 и 2. Вдали от точки пересечения частот колебаний спиновой и упругой подсистем (точка $k_0$) спиновые и упругие волны распространяются почти независимо друг от друга. В области пересечения роль магнитоупругого взаимодействия значительно возрастает, происходит расщепление дисперсионных кривых на две ветви, возникают две связанные магнитоупругие волны (квазиспиновая и квазиупругая). В этой области в магнетиках реализуется такой яркий М. э., как магнитоакустич. резонанс. При $k ≈k_0$ возникает возможность резонансной перекачки энергии из одной подсистемы в другую. Магнитоакустич. резонанс позволяет возбуждать упругие волны в магнетиках переменным электромагнитным полем, а спиновые волны – звуковыми волнами. В области ориентационных фазовых переходов точка пересечения невзаимодействующих спиновых и упругих волн стремится к нулю ($k_0→0$). Это приводит к новым М. э., таким как появление магнитоупругой щели в спектре спиновых волн и уменьшение скорости звуковых волн. В самой точке перехода частота квазиспиновых волн определяется величиной магнитоупругой щели $ω_{me}$ (рис. 2), а закон дисперсии квазиупругих волн меняет свой характер с линейного на квадратичный, что проявляется в уменьшении скорости распространения квазиупругих волн (в теоретич. пределе – до нуля, при стремящемся к нулю волновом числе). Указанные эффекты справедливы как для объёмных, так и для поверхностных магнитоупругих волн.
К М. э., которые резко возрастают в области магнитоакустич. резонанса, магнитных и ориентационных фазовых переходов, также относятся индуцирование звуковой волной магнитной доменной структуры, резкий рост нелинейных магнитоупругих явлений – возникновение нелинейных объёмных и поверхностных магнитоупругих волн разл. типа, гигантское усиление амплитуды УЗ-волн, возбуждаемых электромагнитными волнами, эффекты аномального отражения и поглощения электромагнитных волн, акустомагнитное запоминание информации в магнитных керамиках, резкое возрастание термодинамич. и кинетич. характеристик магнетиков (теплоёмкости, теплопроводности, второго звука, времени релаксации). В совокупности с др. видами взаимодействий в магнетиках (пьезомагнитным, магнитоэлектрическим) магнитоупругое взаимодействие приводит к существованию нового типа магнитоакустич. поверхностных волн в магнетиках.
К М. э. относятся акустич. гиромагнитные явления в магнетиках – вращение плоскости поляризации акустич. волны и появление эллиптичности первоначально плоскополяризованной поперечной упругой волны при её распространении вдоль вектора намагниченности. Оба эффекта резко (резонансным образом) возрастают при приближении системы к магнитоакустич. резонансу или к ориентационному фазовому переходу. К М. э. относятся также акустический ядерный магнитный резонанс, акустический парамагнитный резонанс, акустомагнитоэлектрический эффект, акустоэлектромагнитный эффект.
В немагнитных металлах М. э. проявляются в виде осцилляционных и резонансных зависимостей поглощения и скорости звука от напряжённости постоянного внешнего магнитного поля, обусловленных циклотронным характером движения свободных электронов. Наиболее ярко М. э. в металлах проявляются в области квантующих магнитных полей, когда движение электронов носит одномерный характер, что выражается в появлении гигантских квантовых осцилляций. В области классич. магнитных полей М. э. обусловлены взаимодействием электронов, движущихся по периодич. траекториям в магнитном поле с периодическим (в пространстве и времени) полем звуковой волны. В области больших частот (когда частота звуковой волны больше обратного времени свободного пробега электронов) наблюдается резонансное поглощение звука при частоте звуковой волны, кратной циклотронной частоте (акустич. циклотронный резонанс). Если расстояние $u$ между точками эффективного поглощения звука кратно длине звуковой волны, то проявляется ряд размерных М. э. Их характер зависит от взаимной ориентации волнового вектора $\boldsymbol k$ звуковой волны и вектора напряжённости $\boldsymbol H$ магнитного поля, а также от топологии ферми-поверхности металла. При $\boldsymbol k⊥ \boldsymbol H$ в металлах с замкнутой ферми-поверхностью расстояние $u$ представляет собой характерный размер замкнутой траектории электронов и условие кратности $u$ длине волны определяет осцилляции поглощения и скорости звука как функции обратного магнитного поля (геометрич. осцилляции). При наличии открытых электронных орбит либо при неортогональности векторов $\boldsymbol k$ и $\boldsymbol H$ возникает дрейфовое движение электронов в направлении волнового вектора. В этом случае имеют место магнитоакустич. резонансные явления. Наиболее сильно эти эффекты проявляются при наличии открытых электронных орбит, для которых значение $u$ не зависит от импульса электрона и условие резонанса выполняется для всех электронов (магнитоакустич. резонанс на открытых орбитах).