Предполагается, что при абсолютном нуле спины в ферромагнетике полностью упорядочены. Такое состояние спиновой системы мы можем рассматривать как основное; тогда состояние, при котором один спин или более направлены в противоположную сторону, будет возбужденным. В рамках гейзенберговских представлений об эффективном поле, связывающем зарядовую конфигурацию одного магнитного атома с конфигурацией его соседей, переворот одного спина требует дополнительной энергии A(/«8/eS2. Однако необходимая дополнительная энергия много меньше, если в кристалле возбуждается спиновая волна. Этим термином обозначают частичное возбуждение некоторого числа спинов, которое распространяется по системе спинов подобно волне. Магнон является квантом энергии спиновой волны, а возбуждение каждого магнона уменьшает полную намагниченность на один спин. Законы дисперсии для магнонов в спиновой системе ферромагнитного материала при низких температурах грубо можно сравнить с законами дисперсии для фононов при описании смещений атомов на основе волновых представлений. Понятие спиновых волн было введено Ф. Блохом в 1930 г.18 Используя представление о спиновых волнах, он показал, что »■ Block F.— Z. Physik, 61, 206 (1930). 5.2. Магнитные свойства твердых тел 547 спонтанная намагниченность при возрастании температуры должна уменьшаться по закону Ms = Ms0[I—A (k0T/Jef% Т« Тс, (5.96) где Mso соответствует насыщению спонтанной намагниченности при абсолютном нуле, а числовой коэффициент А определяется кристаллической структурой. Выражение (5.96) называют законом Г3/2 Блоха, и оно хорошо описывает уменьшение Ms в области низких температур (см. задачу 5.10). Несмотря на этот успех, представления о спиновых волнах для анализа явлений в ферромагнетиках практически не использовались, поскольку отсутствовало прямое экспериментальное наблюдение спиновых волн. Эти представления получили существенно большее распространение с тех пор, как было обнаружено резонансное поглощение на спиновых волнах в тонких ферромагнитных пленках. В одном из таких экспериментов, выполненных Сивеем и Танненвальдом 19, микроволновое (СВЧ) магнитное поле прилагалось параллельно поверхности тонкой ферромагнитной пленки, а статическое магнитное поле — перпендикулярно этой поверхности. В процессе изменения статического магнитного поля было выявлено несколько значений его напряженности, при которых наблюдалось резкое возрастание поглощения микроволн. Это поглощение связано с возбуждением таких стоячих волн, для которых на толщине пленки укладывается целое число длин волн. Стоячие волны образуются из спиновых волн с такой конфигурацией спинов на поверхностях пленки, которая определяется магнитной анизотропией плоскости поверхности20. В другом эксперименте со спиновыми волнами энергия маг- нонов преобразуется в энергию фононов, когда скорости спиновых и упругих волн совпадают. Это достигается путем подбора подходящего магнитного поля. В ферромагнетике, в котором существует неоднородное магнитное поле (например, размагничивающее поле в образце, имеющем форму сплошного цилиндра), спиновые волны могут быть возбуждены в той его части, которая находится под действием более сильного поля. Далее при передаче энергии в часть образца с более слабым полем, в которой фононы имеют большую скорость, чем магноны, спиновые волны преобразуются в колебания решетки. Успешно такие эксперименты могут быть проведены в ферро- 19 Постановка эксперимента для наблюдения резонансного поглощения на спиновых волнах была предложена в работе: Kittel С—Phys. Rev., ПО, 1295 (1958), а первые экспериментальные результаты были получены в работе: Seavey М. Н., Jr., Tannenwald P. Е.— Phys. Rev. Lett., 1, 168 (1958). 20 «Пиннинг» (закрепление) ориентации спинов на поверхностях пленки обсуждается в работе: Wigen P. Е. et a/.—J. Appl. Phys., 34, 1137 (1963). 548 Гл. 5. Диэлектрические и магнитные свойства твердых тел со 0,03 | 0,02 §Г 0,01 О 0,05 0/0 0/5 0,20 ka/2sr Рис. 5.18. Зависимость энергии магнона от безразмерного волнового вектора спиновой волны для сплава, состоящего из 92 % кобальта и 8 % железа. Данные получены при комнатной температуре в экспериментах по неупругому рассеянию нейтронов [Sinclair R. N., Brockhouse В. N.— Phys. Rev., 120, 1638 (I960)]. магнитных материалах, которые обладают малыми акустическими потерями21. В гл. 2 рассматривались законы дисперсии для квантованных колебаний решетки и было показано, каким образом из экспериментов по неупругому рассеянию нейтронов можно получить соотношение между энергией фонона и его волновым вектором. При этом равенства (2.18) и (2.19) были использованы как законы сохранения для описания процессов рождения и уничтожения фононов. Совершенно аналогично неупругое рассеяние медленных нейтронов может быть использовано для изучения процессов рождения и уничтожения магнонов в ферромагнетике. Полученная таким образом дисперсионная кривая представлена на рис. 5.18. Как показано на этом рисунке, энергия магнонов в отличие от энергии акустических фононов растет практически пропорционально квадрату приведенного волнового вектора. Такая зависимость энергии магнона от волнового вектора согласуется с законом Г3/2 Блоха, что и предлагается проверить при решении задачи 5.10. Рис. 5.18 также показывает, что магноны с бесконечной длиной волны обладают хотя и малой, но конечной энергией. 21 Исследования взаимодействий спиновых и акустических волн в железо- иттриевом гранате (ЖИГ) и временные задержки сигнала «спинового эха» описаны, например, в работе: Damon R. W., van de Vaart H,— Proc. IEEE, 53, 348 (1965). В действительности ЖИГ является ферримагнитным материалом (этот термин поясняется в конце данного раздела). 5.2. Магнитные свойства твердых тел 549 Для результатов, приведенных на рис. 5.18, это, по крайней мере отчасти, обусловлено ограничениями в разрешающей способности прибора, однако можно ожидать, что минимальная энергия магнона будет отлична от нуля для любого ферромагнетика из-за дальнодействия эффектов анизотропии.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Спиновые волны» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
