Материал: Гуревич, А. Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

378

С П И Н О В Ы Й В О Л Н Ы

( Г Л . Ö

пути вывода этого соотношения отличаются Лишь последова­ тельностью учета уравнений магнитостатики и уравнений дви­ жения.

Незатухающие спиновые волны. Переходя к анализу диспер­ сионного соотношения, пренебрежем сначала дисссипадией — примем а = 0. Тогда из (8.1.И), получится известное выражение для спектра незатухающих спиновых воли х):

и2 = (сод + т]А:2) (соя +

+ % sin2 Ѳк).

(8.1.14)

Если T^Ä:2 сод, о>м, то (8.1.14) переходит в соотношение (7.1.9) для безобменных магнитостатических волн. Как видно из (8.1.14), учет обменного взаимодействия приводит к росту со при увели­ чении к. При очень больших к имеет место квадратичный закон дис­ персии:

со гг; г|&2.

Для используемой континуальной модели рост к и, следователь­ но, частоты со спиновых волн ничем не ограничен. Однако эта модель перестает быть применимой, когда 1/к становится сравни­ мым с межатомными расстояниями —10~8 см.

При Ѳц = 0, т. е. для спиновых волн, распространяющихся в направлении постоянного намагничения, (8.1.14) переходит в

со = сод +

(8.1.15)

В этом (и только в этом) случае собственная частота спиновых

волн совпадает с резонансной частотой внутренних тензоров %

+4

и р. с учетом пространственной дисперсии (см., например, вы­ ражение (8.1.10)).

Если (Щи < соя + Р&2, то может быть использовано приближен­

ное выражение

 

 

со Ä ©я +

sin2 Ѳй.

(8.1.16)

Зависимости со от Тс при сод = const и сод от к при со = const показаны на рис. 8.1.1 для Ѳк = 0 и Ѳ* = я/2. Дисперсионные кривые для промежуточных значений углов Ѳ* лежат между ними, образуя непрерывные полосы спектра спиновых волн в неограни­ ченной среде. Из рис. 8.1.1, б видно, что при данной частоте спи­ новые волны могут существовать только при величинах постоянно­ го внутреннего поля, не превышающих определенных, зависящих от угла в* значений Я макс (Ѳл); для этих предельных полей к =

!) Это выражение получили впервые квантово-механическим путем Холыптейн и Примаков [231] (см. § 8.5).

§ 8.1] СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ В НЕОГРАНИЧЕННОМ ФЕРРОМАГНЕТИКЕ 379

=О х). При увеличении к значения постоянного поля уменьшаются

иобращаются в нуль при некоторых значениях кмакс (Он)- В част­

ности, при Ѳд = О

• # макс (0) - со/г,

/Смаке (0) =

•

(8.1.17)

Для иттрий-железиого граната при комнатной температуре

Рис. 8.1.1. Спектры незатухающих спиновых волн в изотропном ферро­ магнетике. Мд — 140 гс, Г) = 0,1 (иттрий-железный гранат при ком­ натной температуре), а — шд = 0,5 шэд (Яіо = 870 в): б — ш = 0,75 Шдг

(ш/2 я = 365 Mail).

т] = 0,1 и для со/2я = 1010 гц (длина

электромагнитной волны

в свободном пространстве

3 см)

 

 

Н макс (0) = 3 5 0 0

Э,

/С м а кс(0 )

= 8 - І О 6 СМ~К)*

*) При к —> 0 излагаемая теория и, в частности, выражение (8.1.14), строго говоря, несправедливы: для больших образцов (с размерами, сравни­ мым с длиной электромагнитной волны) — вследствие неучета «запазды­ вающих» членов в уравнениях Максвелла, а для малых образцов — вслед­ ствие пеучота граничных условий. Однако как уже неоднократно отмечалось, при таких малых к нет необходимости учета обменного взаимодействия, п соответствующие задачи уже рассматривались в главах 6 и 7.

380

С П И Н О В Ы Е В О Л Н Ы

[ Г Л . 8

Групповая скорость спиновых воли угр = дсо/дк

может быть

легко определена дифференцированием (8.1.14) по /с:

/ гр =

н + 'W -I- -гг «м sie2 0,

(8.1. 18)

2г]/с-

 

Дробь в ( 8 .1 . 1 8 ) представляет собой отношение среднего арифме­ тического величин (COJJ + rj/c'2) и (сод -)- г\к2 -)- соЛІ sin2 Ѳц) к их среднему геометрическому и мало отличается от 1 при сом ■< мд + -f- г|/с2, когда справедливо приближенное выра­

ж е н и е ^ .1.16). При этом

 

 

 

 

 

Ѵгр ~;2т)/с.

 

 

 

 

 

Таким образом, групповая скорость

обменных

 

 

 

спиновых волн в неограниченной среде, в отли­

 

 

 

чие от безобменных магнитостатических воли в

 

 

 

волноводах (§ 7.2)х), всегда положительна и ра­

 

 

 

стет приблизительно пропорционально

волно­

 

 

 

вому числу.

При

максимальном для

дайной

 

 

 

частоты значении

к — кмакс (0) она

достигает

 

 

 

величины

 

 

 

 

 

Рис. 8.1.2. Поляриза­

 

(Ѵгр)макс ~

2 / ц ш .

 

( 8 .1 .1 9 )

 

 

 

 

 

 

ция

спиновой волны.

Для иттрий-железного граната в трехсантимет­

Эта

 

 

ровом диапазоне ВОЛИ ( Ѵгр) макс = 1 , 6 - І О 5 смісек.

величина меньше скорости

упругих воли («звука») в том же

кристалле

и значительно меньше групповой скорости магнитоста­

тических

воли в

большей части диапазона

изменения последней

(см., например, рис. 7 . 2 . 1 0 ) . Малая величина групповой скорости спиновых волн позволяет получать большие времена задержки передаваемых с помощью этих волн сигналов, что используется при создании линий задержки [ 4 8 7 ,3 5 5 ] (см. несколько подробнее

в § 8 . 3 ) .

Для определения поляризации спиновых волн воспользуемся уравнением ( 8 . 1 . 1 3 ) . Не теряя общности, для рассматриваемой

изотропной среды оси координат можно выбрать так (рис.

8.1.2),

чтобы, например, кѵ = 0 . Проектируя ( 8 .1 . 1 3 )

при а = 0

на эти

оси и принимая во вникание ( 8 .1 . 1 4 ) ,

получим

 

 

1-1-

иМ

sin2 0,,

( 8. 1.20)

JII

-И/,:*

 

к

 

При 0|j = 0 отсюда следует т ѵ = — іт х, т. е. спиновые

волиы,

распространяющиеся в направлении постоянного намагничения,

0 Групповая скорость безобманных магнитостатических поли в неогра­ ниченной среде равна пулю, так как частота этих воля но зависит от к.

§ 8.1] С П И Н О В Ы Е В О Л Н Ы В Н Е О Г Р А Н И Ч Е Н Н О М Ф Е Р Р О М А Г Н Е Т И К Е 381

имеют круговую поляризацию с правым вращением. Для углов 0)j =j=0 поляризация становится эллиптической, но она мало от­ личается от круговой при сом < сон + г]/с2 и приближается к ней с ростом к.

Затухание спиновых волн. При учете диссипации (а =/= 0) дис­ персионное уравнение, естественно, не может удовлетворяться при вещественных со и к. Возможны две простейшие постановки зада­ чи. В первом случае рассматриваются стационарные волны (со вещественно), которые при наличии диссипации затухают в про­ странстве (к комплексно). Во втором случае мы предполагаем, что к вещественно, и рассматриваем затухание во времени (со комплексно) волны с постоянной в пространстве амплитудой. Осуществление той или иной ситуации (или промежуточной, когда и со, и к комплексны) зависит, конечно, от условий возбуж­ дения воли.

Рассмотрим первую задачу, т. е. примем, что в (8.1.11) со ве­ щественно, а

к = к' — ік".

Предположим, что направление распространения и направление затухания волны совпадают1), т. е. векторы к' и к" параллельны. В этом случае

(kl + kl)JB = sin2 0,,

где Bh — угол между направлением векторов к' и к" и осью z, который мы считаем заданным. Тогда два вещественных уравне­ ния, эквивалентных (8.1.11), дают связь к' и к" с со и Ѳц.

Остановимся сначала иа случае любого затухания, т. е. примем а < 1 и

(8.1.21)

Пренебрегая в (8.1.11) малыми величинами порядка выше первого, получим для к' (со) прежнее выражение (8.1.14), а для к" — соот­ ношение

к

асо

(8.1.22)

2rjF '

 

 

Согласно (8.1.22) при очень больших к', когда со

ц/с'2,

к"

а

 

~г к’.

 

При малых же к', когда со почти не зависит от к' (либо в том слу­ чае, когда частота является заданной, а к' регулируется изме­

1),Это предположение не является, вообще говоря, обязательным. Электро­ магнитные волны с несовпадающими направлениями распространения п за­ тухания были рассмотрены Френкелем [43].

382

СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ

[ГЛ. 8

нением постоянного поля или угла 0(f), к" обратно пропорцио­ нально к'. Однако, как только к" становится сравнимым с к', рассматриваемое приближение перестает быть справедливым. Подставляя (8.1.22) в (8.1.21), получим условие его справедли­ вости:

к' > Ѵ ^ Ц - = Ѵ - f ÄMaKc(0) = /<np.

(8.1.23)

Если условие (8.1.23) не выполняется, то величины к' и к" должны быть найдены путем точного решения уравнения (8.1.11). Подставляя к — к' — ік" в (8.1.11) и приравнивая нулю вещест­ венные и мнимые части, получим

со2 — [сон + ц (к'2 — /с"2)] [сон + л (к'2— /с"2) -f ам sin2 Ѳк] +

+

(аа> -

2т]к'к"У = 0,

(8.1.24)

(асо — 2цк'к") [2а>я + 2ц (/с'2 -

/с"2) +

солг sin2 Ѳк] = 0.

(8.1.25)

Выражение в квадратных скобках в (8.1.25) не может обращаться в нуль, так как тогда при к" -> 0 для к' получилось бы выражение, которое ничего общего не имеет с (8.1.14) и в которое вообще не входит частота со. Следовательно, в (8.1.25) обращается в нуль первая скобка. Таким образом, соотношение (8.1.22), которое бы­ ло получено раньше для случая к'^> к", справедливо и в общем случае. Уравнение (8.1.24) тогда отличается от (8.1.14) лишь за­ меной к2 на к'2 — к"2. Оно может быть легко решено совместно с (8.1.22) относительно к' и к". Введем обозначения:

к'

к" = -jf- »

ß

1

\/~ “ 2 +

[~т0)Л< ЯІІі2 ѳ*

 

aw

 

пр

Лпр

 

 

 

 

 

 

сои ■

■COjVf S in 2 0(f

(8.1.26)

где &пр определяется согласно (8.1.23). Тогда решение запишется в форме

%’ = Y V W T ^ + ß, к" = i Z / F + T ^ ß

(8.1.27)

(соотношение (8.1.22) в обозначениях (8.1.26) примет вид к'к" =

= !)• Зависимости к' и к" от ß показаны на рис. 8.1.3. На том же

рисунке приведены результаты расчета в первом приближении,

когда к' вычисляется без учета диссипации, а к" — из соотноше­ ния (8.1.22). Из рис. 8.1.3 видно, что приближенное решение, как и следовало ожидать, практически совпадает с точным при ß ^> 1, когда к'^> к". Однако как только ß приближается к 1 (т. е. к" — к к'), точный спектр начинает существенно отличаться от приближенного. Приближенный спектр существует только при

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/155615