О возможности зарождения в магнитных диэлектриках магнитных вихрей и антивихрей с помощью электрического поля

А. П. Пятаков a, Г. А. Мешков, А. С. Логгинов ... Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра физики колебаний. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2. ... E-mail: a pyatakov@physics.msu.ru ... Статья поступила 26.01.2010, подписана в печать 19.03.2010 ... Теоретически рассмотрено микромагнитное распределение в наночастице диэлектрика. Показано, что наличие в магнитных диэлектриках неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия создает возможность зарождения в них магнитных вихрей и антивихрей с помощью электрического поля. Оценка критического напряжения, необходимого для зарождения вихря в частицах высокотемпературного мультиферроика феррита висмута, дает значение ~ 100 В. ... Ключевые слова: неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие, мультиферроики, магнитный антивихрь, магнитные наночастицы. ... УДК: 537.611.2, 537.29. PACS: 75.85.4-t. ... Введение ... Разнообразные микромагнитные структуры, наблюдаемые в магнитных средах, являются результатом конкуренции небольшого числа механизмов взаимодействий, включающих в себя магнитостатическую и обменную энергии. Эти два вида взаимодействий порождают магнитные вихри в ферромагнитных нанодисках и наноточках [1-6]. Столь же фундаментально значимой, однако гораздо менее известной является структура типа антивихрь, представляющая собой топологический антипод вихря (рис. 1). Реализация антивихревого состояния - довольно сложная задача, поскольку оно энергетически невыгодно вследствие образования магнитных зарядов на краях частицы. Существуют единичные сообщения о наблюдениях антивихревого состояния в ферромагнетиках сложных конфигураций в виде пересекающихся окружностей [7] или крестообразных наноструктур [8]. ... В магнитных диэлектриках вихревые состояния наблюдаются в виде линий Блоха, разделяющих между собой участки доменной границы с различным направлением разворота намагниченности [9-11], размеры которых также определяются конкуренцией обменного и магнитостатического взаимодействий. ... В то же время существует еще одно взаимодействие, пропорциональное пространственным производным от вектора магнитного параметра порядка, которое следует учитывать при рассмотрении микромагнитных структур в магнитных диэлектриках в присутствии внешнего электрического поля, а также в магнитных сегнетоэлектриках (мультиферроиках). Это неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие описывается вкладом в термодинамический потенциал вида PiMjVkMi, где Р и М - векторы сегнетоэлектрической поляризации и магнитного параметра порядка соответственно [12-21]. Данное взаимодействие ответственно за магнито-индуцированную электрическую поляризацию в спиральных мультиферроиках [22] и за эффект движения магнитных доменных границ под действием электрического поля в пленках ферритов гранатов [23]. ... В настоящей статье показано, что градиент электрического поля, создаваемый, например, иглой сканирующего зондового микроскопа, может привести к образованию в наночастице из магнитного диэлектрика вихревого или антивихревого распределения намагниченности в зависимости от полярности напряжения на игле. ... Рис. 1. Микромагнитные распределения в ферромагнитных наноточках: а - магнитный вихрь, б - магнитный антивихрь ... 1. Взаимодействия, определяющие микромагнитную структуру в наночастицах диэлектрика ... Магнитоэлектрические материалы, будучи большей частью ферримагнетиками и слабыми ферромагнетиками, характеризуются умеренной спонтанной намагниченностью, что приводит к большим по сравнению с ферромагнетиками величинам обменной длины /exch = л/2А/]Щ и магнитостатической длины Ims = 2л/АК/М, где А - обменная жесткость, Ms - намагниченность насыщения, К - константа анизотропии, Ims характеризует максимальный размер однодо-менной частицы. Типичные величины для высокотемпературного мультиферроика феррита висмута BiFe03 составляют /exch = 1.5 мкм, lMs = 240 мкм. Таким образом, диэлектрические магнитные наночастицы должны находиться в состоянии с однородной намагниченностью, поскольку обменное взаимодействие доминирует над магнитостатическим. ... Единственной силой, способной конкурировать с обменом на нанометровых масштабах, является неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие, которое для случая кубической симметрии может быть представлено в виде [13, 16] (1) ... где 7 - магнитоэлектрическая константа, Р - электрическая поляризация, п - единичный вектор магнитного параметра порядка. ... Так, в мультиферроике феррите висмута конкуренция между обменным и неоднородным магнитоэлектрическим взаимодействиями приводит к образованию магнитной спирали с периодом 60 нм [13]. ... 2. Оценка критического напряжения, необходимого для зарождения вихря ... Как показано в [16], вследствие наличия взаимодействия (1) конфигурация в виде магнитного вихря порождает на его оси линейную плотность электрического заряда ... гдехе - электрическая восприимчивость среды, знаки "±" соответствуют конфигурациям типа вихрь и антивихрь.