МАГНИТОАКУСТИ́ЧЕСКИЕ ЭФФЕ́КТЫ

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.

Рис. 1. Дисперсионные кривые невзаимодействующих спиновых (кривая 2) и поперечных упругих волн (кривая 1) и магнитоупругих волн (кривые I и II) в кубическом ферромагнетике при распространении волн вдо...

Рис. 2. Дисперсионные кривые невзаимодействующих спиновых (кривая 2) и поперечных упругих волн (кривая 1) и магнитоупругих волн (кривые I, II и III) в кубическом ферромагнетике в точке ориентационного...

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).