научная статья по теме ПРЕЛОМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН В ОДНООСНЫХ МАГНЕТИКАХ С ДЕФЕКТОМ ОБМЕНА Физика

Текст научной статьи на тему «ПРЕЛОМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН В ОДНООСНЫХ МАГНЕТИКАХ С ДЕФЕКТОМ ОБМЕНА»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 6, с. 3-8

^^^^^^^^^^^^^^^^ ТЕОРИЯ

МЕТАЛЛОВ

УДК 537.611.2

ПРЕЛОМЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН В ОДНООСНЫХ МАГНЕТИКАХ С ДЕФЕКТОМ ОБМЕНА

© 2004 г. Ю. И. Горобец, С. Ä. Решетняк

Институт магнетизма НАН Украины, 03142 Киев, бул. Вернадского, 36-6 Поступила в редакцию 29.07.2003 г.

В формализме спиновой плотности рассчитывается показатель преломления поверхностных спиновых волн, распространяющихся в ферромагнитной среде с неоднородным распределением параметров обменного взаимодействия и одноосной магнитной анизотропии. Вычислены коэффициенты отражения и прохождения спиновых волн на границе двух однородных магнетиков с отличающимися константами обменного взаимодействия, одноосной анизотропии, а также намагниченности насыщения. Получены зависимости интенсивности отраженной волны и показателя преломления от частоты волны и величины внешнего постоянного однородного магнитного поля при различных значениях параметра межслойного обмена на границе контактирующих материалов.

ВВЕДЕНИЕ

Стремительный прогресс в области нанотех-нологий и наноэлектроники, наблюдающийся на протяжении последнего десятилетия, вызывает необходимость разработки новых материалов и устройств, в которых реализуется возможность использования преимуществ высокочастотных волн. В частности, представляет интерес прикладное использование характерных особенностей спиновых волн.

Как правило, при теоретическом описании особенностей распространения спиновых волн традиционно используется волновой подход, который с успехом применяется, например, для определения спектральных и некоторых других характеристик магнитных материалов [1-5].

В настоящей работе осуществляется приложение математического аппарата геометрической оптики к описанию поведения поверхностных спиновых волн, распространяющихся в ферромагнитной среде с неоднородным распределением магнитных параметров. Использование этого подхода дает возможность получать необходимое изменение направления распространения спиновых волн (в частности, фокусировку) с помощью создания искусственных неоднородностей магнитных параметров среды заданной конфигурации, а также путем изменения величины внешнего магнитного поля.

В работах [6, 7] был рассчитан показатель преломления объемного и поверхностного спиновых лучей и исследовалось их поведение на границе раздела двух однородных магнетиков с отличающимися параметрами обменного взаимодействия и одноосной магнитной анизотропии. В настоящей работе исследуется случай непрерывного распределения этих параметров. Кроме того, рас-

считывается показатель преломления и интенсивность отражения поверхностной спиновой волны на границе двух однородных ферромагнетиков с отличающимися значениями параметров одноосной магнитной анизотропии, обменного взаимодействия и намагниченности насыщения с учетом дефекта обменного взаимодействия на границе раздела.

1. УРАВНЕНИЯ ДИНАМИКИ МАГНИТНОГО МОМЕНТА

Рассмотрим неограниченный ферромагнетик, состоящий из двух полубесконечных частей, контактирующих вдоль плоскости уОг, и имеющих в соответствующих полупространствах величину намагниченности насыщения соответственно М01 и М02, а также непрерывно (или кусочно-непрерывно) медленно изменяющиеся параметры обменного взаимодействия а и одноосной магнитной анизотропии р. Легкая ось магнетика и внешнее постоянное магнитное поле направлены вдоль оси Ог.

Плотность энергии магнетика описанной конфигурации в обменном приближении имеет вид

2

w = ^0[(-1) ух ] wJ + А 8( х) М1 М2, (1)

у = 1

где

^ = а (дЭ2+2 (т2*+ту) - н° (2)

0(х) - ступенчатая функция Хэвисайда; А - параметр, характеризующий обменное взаимодействие между полупространствами при х = 0; Му = = М0уШу, ту - единичные векторы в направлении намагниченности, = 1, 2.

Будем использовать формализм спиновой плотности [8], согласно которому намагниченность можно представить в виде

Ы;(Г, г) = Мо ;Т+(г, г)(г, г), ; = 1,2, (3)

где Ту - квазиклассические волновые функции, играющие роль параметра порядка спиновой плотности, г - радиус-вектор декартовой системы координат, г - время, ст - матрицы Паули.

Уравнения Лагранжа для Ту имеют вид

дТ (г t)

ih у - = -^0Hj г, t) г, t),

(4)

Hej -

д Wj

где - магнетон Бора,

д д Wj +-----

д xk д(д M j / д xk)

Учитывая, что в основном состоянии материал намагничен параллельно ez, и считая Mj (r, t) - const в каждом из полупространств, будем искать решение (4) в виде

Т j (г, t) = exp (i^o Ho t/h)

1

Xj(r, t)

(5)

где х;(г, г) - малая добавка, характеризующая отклонение намагниченности от основного состояния. Линеаризуя уравнения (4) с учетом (5), получаем

i h дх j ( г, t )

~2[ioMoj дt

= (а( г )А - Р( г) - Ho j )х j (г, t), (6)

где Но; = Яо/Мо;, ; = 1, 2.

На поверхности г = 0 должно выполняться граничное условие [9]:

^(л, у, о, г) - ь}X;(х, у, 0, г) = 0,

где Ь; - параметр закрепления спинов на поверхности магнетика. Тогда, проводя преобразование Фурье, получаем для поверхностной спиновой волны, экспоненциально затухающей вглубь магнетика вдоль оси Ог, дисперсионное соотношение

Q j = а( г±) k]_( г±) + р( г±) + Ho j - а( г±) L2, j = 1, 2,

(7)

где Qj - fflh/2^0M0y, ю - частота, k - (k±, kz) - волновой вектор, r± - (x, у).

2. ПРИБЛИЖЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Чтобы упростить уравнение (6), воспользуемся методом ВКБ, следуя [10, 11].

Представим в (6) X; (г±, г) = С ехр[г'(к05;(г±) - юг)], где к0 - модуль волнового вектора поверхностной волны, например, на бесконечно большом расстоянии от границы х = 0 со стороны падающей волны (определенность этой величины, как будет показано ниже, необходима только в целях относительного измерения к(г±) при определении показателя преломления), С - медленно меняющаяся амплитуда. Как следует из (7),

к\(г±) = (О; - в(г±) - Но; + а(г±)Ь2)/а(г±).

Если длина спиновой волны X удовлетворяет условию перехода к геометрической оптике

X < а, (8)

где а - характерный размер имеющихся в среде неоднородностей, то из (6) получаем аналог классического уравнения Гамильтона-Якоби:

где - ex дХ + еУ д у'

(V±sj (г±))2 = nj ( г±), д

n (г±) = k2: (г±) / k2.

(9)

(10)

Как и в оптике [12], будем считать, что правая часть уравнения (9) представляет собой квадрат показателя преломления, определяемый выражением

п;(г±) = 1 (О; - Р(г±) - Но; + а(г±)Ь2))(г±). (11)

ко

Записав уравнение (9) в виде

Н = 2[Р2- п (г±)] = о,

где р = У±5, получаем уравнения лучей в гамиль-тоновой форме:

I1 = р;

р = 22 у±п2( г1). Из (9) следует, что |Уя±(г±)| = йя(г±)/йт = п(г±),

где йт = *]йх2 + йу2 - элемент траектории луча. Поэтому функцию 5 можно определить как криволинейный интеграл вдоль траектории луча:

в

5 = | пйт. (12)

A

Минимизируя (12) с помощью принципа Ферма [13], получаем уравнение траектории луча [10]:

Т (п Тт) = •

3. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СПИНОВОГО ЛУЧА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ ОДНОРОДНЫХ МАГНЕТИКОВ

Используем формулу (12) в приложении к примеру полубесконечного магнетика, состоящего из двух контактирующих однородных частей.

Пусть на границу раздела двух магнетиков с параметрами аь рь М01, Ь1 и а2, Р2, М02, Ь2 соответственно, соприкасающихся вдоль плоскости уОг, со стороны первого магнетика падает спиновая волна. Луч распространяется из точки (хь уь гд, расположенной в среде 1, имеющей показатель преломления п0 = 1, к точке (х2, у2, г2) в среде 2 с показателем преломления (см. (11)):

n =

/«! Q2 - Р2 - Ho2 + a2 L2

la2Q1 - p1 -H01 + a1L1

2

пересекая границу раздела сред в точке (0, у, г). В этом случае из условий экстремума функции 5 следует

sin 01 к 2 la1 Q2 — р2- Ho2 + a2 L2

sin 02 к o л/ a2 Q1- p1- H 01 + a1 L1

= n, (13)

к 1 x = -J(к 1 )_L - kly,

к2x = 7(k2)L - к

(минус в выражении для к1х соответствует уходящей от границы раздела волне), и на границе раздела к0у = k1y = k2y, получаем, что падающая, отраженная и прошедшая волна, а также нормаль, восставленная в точке падения, лежат в одной плоскости, при этом угол падения равен углу отражения. Это утверждение аналогично закону отражения световых волн в оптике [12].

При вещественных к2х, т.е. при выполнении условия

(к2 )L> к2 у,

что эквивалентно

a1 Q2- р2- #02 + a2L2 . 2 — —2-—-:-2-2 > Sin 01,

a2 Q1 - p1 - #01 + a2 L2

получаем формулу (13).

Если же (к2)L < к2у (сюда же относится случай к2 > 0, к2 < 0), то

где 0! - угол падения, 02 - угол преломления.

Этот же результат можно получить, сопоставив в (6) падающей волне

X; = ехр (г( ко г - ш г)), (14)

отраженной волне -

Xк = Я ехр(г(к г - шг)), (15)

прошедшей волне -

XВ = В ехр(г(к2г - шг)), (16)

где Я - комплексная амплитуда отраженной спиновой волны от границы раздела, В - амплитуда пройденной волны, а к0, к! - волновые векторы падающей и отраженной волн соответственно, к2 -волновой вектор прошедшей волны. В силу того, что

(к о)! = (к 1 )2 = («1- р1- #01 + а1 Ь21)/а1,

(к 2 )2 = («2- Р2- Но2 + а2 ь\) / а2;

где

к2х = -Чк 1 у - (к2)± = -г/2 Л, Хв (г±, г) = В ехр (- х /2 Л) ехр (г (к2 уу - ш г)),

т.е. величина Л играет роль глубины проникновения спиновой волны вглубь второго материала и равна

1

h =

(ко )±Л/ sin2 01 - n2

Предельный угол полного отражения определяется выражением

sin00 =

Г ~ 2\ 1/2

a1 Q2 - р2 - #02 + a2 L2

a2 Q1 - p1 - H01 + a2 L

2

4. ОТРАЖЕНИЕ СПИНОВЫХ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ ОДНОРОДНЫХ СРЕД

Во всех случаях, когда речь идет о процессах отражения и преломления волн произвольной природы, представляется важным оценить соотношение интенсивностей прошедшей и отраженной волн. Если интенсивность отраженной волны намного превосходит интенсивность волны прошедшей, то структуру, являющуюся объектом исследований, можно применять в качестве основы для конструирования зеркал различного типа (имеются в виду плоские, выпуклые или вогнутые зеркала типа сферических, цилиндрических и т.п.). В противном же случае, когда интенсивность про-

шедшей волны гораздо больше интенсивности [Aу(х2-х) + ах'1 ] -о = о;

отраженной, структура может послужить осно- x = ' (17)

вой для создания линз с необходимыми парамет- [A(х1 - Х2) - уа2х2]x = о = о. рами.

Получим выражения для амплитуд отражения Здесь У =

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.

Показать целиком