ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 11, с. 1111-1120
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 537.6
ФИЗИКА МАГНЕТИКОВ: НАУЧНАЯ ШКОЛА Е.А. ТУРОВА
© 2014 г. В. В. Устинов, М. И. Куркин, А. П. Танкеев
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
E-mail: tankeyev@imp.uran.ru Поступила в редакцию 20.02.2014 г.; в окончательном варианте — 20.05.2014 г.
Настоящая работа посвящена известному ученому в области физики магнитных явлений, члену-корреспонденту РАН Евгению Акимовичу Турову. Статья включает анализ актуальных вопросов физики магнетизма начала XX1 века, а также вклада Е.А. Турова и созданной им школы в науку о магнетизме. В 2014 г. исполняется 90 лет со дня рождения Евгения Акимовича, и данная статья приурочена к этой памятной дате. В ней приводится список основных трудов ученого.
Ключевые слова: магнитная структура, антиферромагнетизм, динамические и кинетические свойства, магнитоупругость, спонтанное нарушение симметрии, ядерный магнитный резонанс, магни-тоэлектричество и мультиферроики.
БО1: 10.7868/80015323014110072
Е.А. Туров
1. АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ НАЧАЛА XXI ВЕКА
Вступительную статью к этому выпуску журнала "Физика металлов и металловедение", посвященному Евгению Акимовичу Турову, мы начнем с описания современного ландшафта науки о магнетизме начала XXI века, сосредоточившись на ее "горячих точках". В современном магнетизме существует два направления, которые можно
определить как физику магнитных явлений и прикладной магнетизм. Несмотря на то, что эти два направления крепко связаны между собой, по целям и задачам исследований они все-таки различаются. Если физика магнитных явлений сосредоточена на фундаментальных исследованиях, то цели прикладного магнетизма — разработка и создание новых магнитных материалов, а также использование их в различных технических устройствах. Основная проблема получения магнитных материалов с заданными свойствами состоит в том, что их магнитные свойства в значительной степени определяются атомной и кристаллической структурой. Поскольку теория атомного и кристаллического строения конденсированных сред пока еще далека от совершенства, результаты синтеза таких материалов плохо поддаются прогнозу и, в значительной степени, зависят от искусства технологов.
Существующая теория магнитных явлений предполагает атомную структуру вещества заданной и слабо зависящей от его магнитной структуры, определяемой типом упорядочения спинов электронов. Принятое приближение, которое принято называть адиабатическим, позволяет адекватно описать подавляющее большинство процессов и явлений, определяющих наблюдаемые магнитные свойства конденсированных сред и соответствующие направления исследований. К ним относятся различные типы спиновых упорядочений (ферромагнетизм, антиферромагнетизм, несоизмеримые структуры), высокочастотные свойства магнетиков (ферро- и антиферромагнитный резонансы, резонанс на
стоячих спиновых волнах, параметрическое возбуждение спиновых волн), магнитоакустические явления, магнитооптика, ядерные методы в магнетизме (ЯМР, ЯГР, магнитное рассеяние нейтронов) и др. В различные периоды времени каждое из этих направлений было в центре внимания. В результате магнитная тематика неизменно оказывалась представленной в значительном числе публикаций в ведущих международных научных журналах, начиная с 30-х годов прошлого века. Последние два десятилетия не являются исключением. Это связано с открытием целого ряда эффектов, которые справедливо считаются сенсационными: гигантского магнитосопротивления, колоссального магнито-сопротивления, а также гигантского магнитоэлектрического эффекта и сверхбыстрой магнитной динамики.
Эффект магнитосопротивления (МС) (зависимость электросопротивления р от магнитного поля Н) был обнаружен П.Л. Капицей еще в 20-е годы прошлого века. Для количественного описания МС используется отношение
^ = (p(H) - р(0))/р(0). р
В немагнитных металлах величина ^ ~ 10-5
Р
слишком мала для технических приложений. В
ферромагнитных металлах отношение ~ 10-2.
Р
Этой величины оказалось недостаточно в ряде технических приложений при преобразовании магнитных сигналов в электрические, в частности, в устройствах для считывания информации с магнитных носителей. Качественный скачок в поиске материалов с большим МС возник в 1988 г. благодаря созданию нового класса магнитных материалов — магнитных металлических гетеро-структур Fe-Cr с толщиной слоев хрома ~10-7 см [1]. В таких неоднородных материалах величину МС удалось поднять до значений в несколько десятков прцентов. Это явление получило название гигантского МС (ГМС). За открытие эффекта гигантского магнитосопротивления в 2007 г. Петеру Грюнбергу (Peter Grunberg) и Альберу Феру (Albert Fert) была присуждена Нобелевская премия по физике. Это открытие стало моментом рождения новой области электроники — спин-троники, в которой спин электрона также важен, как и его заряд.
Значения — ~ 104 (эффект колоссального МС Р
(КМС)) были обнаружены в манганитах лантана, допированных двухвалентными элементами [2]. Однако плохая воспроизводимость результатов Ар
по —- препятствует использованию манганитов в р
качестве рабочего вещества в технических устройствах. Тем не менее, с научной точки зрения, эффект КМС останется актуальным направлением в магнетизме до тех пор, пока не будет предложен приемлемый механизм формирования этого эффекта.
Магнитоэлектрический (МЭ) эффект (намагничивание постоянным электрическим полем Е и электрическая поляризация постоянным магнитным полем Н) был открыт Д.Н. Астровым в 1960 году в соединении Cr2O3. Существование МЭ-эффекта в веществах с симметрией решетки Cr2O3 годом ранее было предсказано И.Е. Дзяло-шинским на основе идей, выдвинутых Л.Д. Ландау в 1956 г. Хотя связь электричества и магнетизма была хорошо известна в электродинамике Фа-радея—Максвелла, но там она имела место только для переменных и неоднородных полей Е и Н. Это было обусловлено тем, что в материальных уравнениях учитывались только силы Кулона и Лоренца. Для МЭ-эффекта Ландау—Дзялошин-ского—Астрова важен еще один тип сил, обусловленных взаимодействием поля Е (в том числе и постоянного) со спинами электронов, которое существует в квантовой электродинамике. В частности, спин-орбитальное взаимодействие, ответственное за магнитную кристаллическую анизотропию, является одним из проявлений этого взаимодействия. Однако его количественное описание на языке динамических уравнений связано со значительными математическими трудностями, поэтому при рассмотрении МЭ-эффекта долгое время ограничивались лишь симметрийным описанием, предложенным Дзялошинским.
Положение изменилось после открытия в 2003 г. гигантского МЭ-эффекта в висмутовом феррите [3], который в тысячу раз превосходит МЭ-эф-фект в Cr2O3. Такой величины МЭ-эффект уже становится перспективным для технических приложений. Это вызвало интерес к изучению микроскопических механизмов МЭ-эффекта, в особенности в веществах, получивших название мультиферрои-ков. Первоначально к ним относили вещества по крайней мере с двумя из трех фазовых переходов: магнитного, сегнетоэлектрического и деформационного. Теперь к мультиферроикам стали относить также среды с аномально большими значениями электрической и магнитной проницаемостями. Тема мультиферроиков сейчас является еще одной из наиболее "горячих точек" в магнитной тематике.
Сверхбыстрая магнитная динамика с характерными временами пикосекундного (т « 10-12 с) масштаба была обнаружена при воздействии фемтосекундных (тр « (10-13—10-14) с) лазерных импульсов на вещества со спиновым упорядочением. Первым таким веществом стал ферромагнитный никель, в котором сверхбыстрая магнитная динамика была обнаружена в 1996 г. [4]. Здесь
необходимо отметить специфику оптического возбуждения электронов, при котором размер магнитных неоднородностей сравним с длиной световой волны X ~ 10-6 м. Для таких неоднородностей изменение обменной энергии соответствует частотам около 1 МГц. По этой причине спиновая динамика должна определяться полями магнитной анизотропии, размагничивающими полями поверхности образца и др. Их величины сравнимы с полем Н~ 103 Э, что соответствует частотам V = уН= 1 ГГц = 109 Гц и периодам т = 10-9 с. Это означает, что характерные времена сверхбыстрой магнитной динамики т ~ ~ 10-12 с не могут быть обусловлены спинами с точки зрения существующей теории спинового магнетизма.
Другой результат, который здесь следует упомянуть, связан с теоретическим пределом для времени спиновой переориентации 2 х 10-12 с = 2 пс, установленным в 2004 г. [5]. Однако в 2007 г. была обнаружена спиновая переориентация под действием лазерного импульса с длительностью тр = = 4 х 10-14 с = 40 фс [6]. Таким образом, теоретический предел оказался превзойденным в 50 раз. Здесь возможны два подхода к этой проблеме: (1) радикальная ревизия существующей теории спинового магнетизма; (2) поиск посредника между оптической накачкой и спинами. Этот посредник должен быть способным изменить свое состояние за время тр и сохранить эти изменения на интервале времени необходимом для спиновой переориентации. Большинство авторов работ по сверхбыстрой магнитной динамике ищут решение этой проблемы с использованием первого варианта. Однако пока эти попытки оказываются безуспешными. Вариант с орбитальным магнетизмом в качестве посредника пока удалось обосновать только качественно с использованием правил отбора, законов сохранения и соотношений неопределенности [7]. Но и здесь предстоит еще большая работа по созданию количественного варианта теории с использованием динамических уравнений. Выше отмечена только небольшая часть результатов, полученных с помощью фемто-секундной магнитооптики. Но даже их достаточно, чтобы считать сверхбыструю магнитную динамику фундаментальной проблемой магнетизма, решение которой пока трудно предугадать.
Притягательной областью исследований остается изучение нелинейных волновых процессов в магнетиках. Здесь особая роль принадлежит спиновым волнам. Достоверно установлена глубокая корреляц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.