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

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

406 СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ [ГЛ. 8

однородного поля h (ѵ) может быть вынесено на знак интеграла и ии_

теграл ^ in* (г) dV, который представляет собой величину,

V'

сопряженную с суммарным магнитным моментом, обращается в нуль для однородной плоской волны. Таким образом, возбужде­ ние спиновых волн в однородной неограниченной среде однородным

переменным полем (если не касаться нелинейных процессов) не­ возможно.

Положение существенно изменится, если мы перейдем к воз­ буждению спиновых волн в ограниченных телах достаточно малых размеров пли в средах с неоднородными параметрами. Тогда соб­ ственные функции намагниченности спиновых волн пе будут являться плоскими волнами (8.3.4) и интеграл от произведения однородного переменного магнитного поля на эти функции может не обратиться в нуль. Ниже мы рассмотрим два характерных при­ мера такого возбуждения спиновых волн: в тонкой пленке и в не­ однородном постоянном магнитном поле.

Граничные условия для намагниченности. Учет неоднородно­ го обменного взаимодействия приводит, как мы видели, к появле­ нию в уравнениях движения производных от намагниченности по координатам. Порядок дифференциальных уравнений, которые получаются при совместном решении уравнений движения и урав­ нений электромагнитного поля, повышается, и обычных электро­ динамических граничных условий становится недостаточно для однозначного решения граничных задач. Электродинамические граничные условия (непрерывность касательных составляющих магнитного и электрического полей и нормальных составляющих магнитной и электрической индукции, см. § 5.1) должны быть дополнены теперь некоторыми условиями, накладываемыми на намагниченностьнаграницераздела. Они должны быть следствиями уравне ний движения, так как уравнения поля уже использованы при вы воде электродинамических граничных условий. Поскольку в уравнения движения входят теперь (см., например, выражения

(8.1.3)

и (8.2.3)) вторые производные переменной намагниченности

по

координатам, то можно

полагать, что искомые грапичпые

условия

будут содержать

составляющие намагниченности и

их

первые производные.

 

 

Переходя к выводу граничных условий для намагниченности,

рассмотрим наиболее важный случай, когда магнитная среда пред­ ставляет собой ферромагнетик *) и граничит с немагнитной (ц0 = = 1) средой. Следуя Радо и Уиртмену [256], мы получим допол­ нительные граничные условия путем интегрирования уравнения

Ц Очевидно, что граничіше условия, которые мы получим, будут справед­ ливы и для низкочастотпой («ферромагнитной») ветви магнитных колебаний в ферримагнетике.

§ 8.3] ВОЛНЫ В ОГРА Н И ЧЕН Н Ы Х ТЕЛАХ И НЕОД Н О РО ДН Ы Х СРЕДАХ 407

движения аналогично тому, как электродинамические граничные условия получаются интегрированием уравнений Максвелла (см., например, [29]).

Считая для простоты неоднородное обменное взаимодействие

изотропным, т. е. тензор q в (2.1.7) скалярной величиной (qvs = = q), запишем исходное уравнение движения в виде

- і ® + М Х Н е„ + g M X Ѵ 2М + М X H s = 0. (8 .3 .5)

Здесь Herr включает в себя внешнее поле, размагничивакщее по­ ле и все эффективные поля (поле объемной анизотропии, эффектив­ ное поле, учитывающее диссипацию), не зависящие или слабо зави­ сящие от координат; поле Hs есть эффективное поле поверхност­ ной анизотропии, которое очень сильно зависит от координаты в направлении, перпендикулярном к граничной поверхности.

Поле Hs существует только в поверхностном слое толщиной d. Оно учитывает особые условия, в которых находятся магнитные моменты вблизи границы ферромагнетика. Не обсуждая подробно природу поверхностной анизотропии, заметим лишь, что источни­ ком ее, согласно Неелхо (см., например, [244]), может явиться то, что ионы у поверхности находятся в другом окружении, чем внутри ферромагнетика. Поверхностная анизотропия может воз­ никать также из-за наличия на поверхности тонкой пленки дру­ гого химического состава, чем внутри, например, антиферромаг­ нитной окисной пленки на границе ферромагнитного металла. Существенно, что интеграл от поля Hs по объему поверхностного слоя не является, вообще говоря, малым, несмотря на малую толщину слоя.

Поверхностная анизотропия может являться либо одноосной с осью — легкой или трудной, совпадающей с нормалью к поверх­ ности, либо однонаправленной (когда, в отличие от одноосной анизотропии, направления к поверхности и от нее не эквивалент­ ны). Рассмотрим для определенпости первый случай. Тогда, со­ гласно (2.2.5), ограничиваясь первой константой анизотропии, можно записать

H s = n 0 ^ j ( M n 0),

( 8 .3 . 6 )

где п0 — единичный вектор внешней нормали к граничной поверх­ ности S (рис. 8.3.1). Величина Hs зависит — причем, как уже от­ мечалось, сильно — от координаты z' в направлении, перпенди­ кулярном поверхности, и обращается в нуль вне поверхностного слоя.

Проинтегрируем уравнение (8.3.5) по объему V (рис. 8.3.1)— тонкому диску с площадью а и толщиной 2d1 (где d^, хотя и ма­

Рис. 8.3.1. К выводу граппчпых усло­ вий для намагниченности. S — граница между ферромагнетиком (z' < 0) и немагннтпой средой.

408

С П И Н О В Ы Е в о л н ы

[ Г Л . 8

ло, но больше, чем толщина поверхностного слоя d), «разрезанно­ му пополам» граничной поверхностью S. При достаточно малом dx первые два члена (8.3.5) дадут пренебрежимо малые вклады и результат интегрирования можно будет записать в виде

Іі + і2 = о,

(8.3.7)

І! = ЛVМ X Ѵ2М dV,

(8.3.8)

V

 

Ія = ( м х HsdV.

(8.3.9)

Применяя вторую формулу Грина [35] к проекциям (8.3.8) на оси декартовой системы коорди­ нат, нетрудно преобразовать Іх в пптеграл по поверхности 2 , ограничивающей объем диска У:

Іі = ? J М X (noaV)MdS.

(8.3.10)

Е

 

Здесь п0е — единичный

вектор

внешней нормали к 2 , а (поЕу)М = = дШ/дп-z — производная М по направлению этой нормали. Ин­ тегралом по боковой поверхности диска в (8.3.10) можно пренебречь. На внешнем (лежащем вне ферро­ магнетика) основании диска М —0, а на внутреннем noS = —п0. Тог­ да, считая площадь основания о

малой (хотя и большей, чем боковая поверхность диска), получим окончательно

І1 = — одМ X (п0Ѵ)М,

(8.3.11)

где (п0у)М — производная М по направлению нормали к гранич­ ной поверхности 5. Подчеркнем, что в (8.3.11) входит величина М внутри ферромагнетика — на расстоянии от границы, превышаю­ щем толщину поверхностного слоя.

Займемся теперь интегралом (8.3.9). Учтем, что Hs существует лишь в поверхностном слое и изменяется быстро только в направ­ лении z', а площадь основания диска а является малой. Тогда, принимая для Hs выражение (8.3.6), получим

§ 8.3] В О Л Н Ы В О Г Р А Н И Ч Е Н Н Ы Х Т Е Л А Х И Н Е О Д Н О Р О Д Н Ы Х С Р Е Д А Х

409

В (8.3.12) от z' может зависеть не только Hs, но и вектор М — его направление и длина. Если изменением М в поверхностном слое можно пренебречь, то (8.3.12) примет вид

І2 = ^ М X п0(Мп0),

(8.3.13)

где

 

и.

 

Ks = ^ H s c l z '

(8.3.14)

о

 

— поверхностная плотность энергии взаимодействий, учитывае­ мых эффективным полем Hs-

Можно рассмотреть и более общий случай, когда М изменя­ ется в поверхностном слое, однако таким «симметричным» обра­ зом, что направления вектора І2 и вектора М х н0 (вне поверхно­ стного слоя) совпадают. В этом случае выражение (8.3.13) можно по-прежнему считать справедливым, принимая в нем, как и в (8.3.11), величину М вне поверхностного слоя. Но теперь опреде­ лением поверхностной энергии K s будет уже не формула (8.3.14), а равенство выражений (8.3.12) и (8.3.13).

Подставляя (8.3.11) и (8.3.13) в (8.3.7), получим граничное

условие

 

 

gM X (п„Ѵ) М +

n0 X М(п0М) = 0.

(8.3.15)

Это условие накладывается на вектор М вблизи границы, но вне поверхностного слоя, а свойства поверхности учитываются един­ ственным параметром Ks-

Рассмотрим теперь случай малых колебаний намагниченно­

сти:

 

М = М0 + т е '“' , т < ^М 0

(8.3.16)

и получим граничное условие для комплексной амплитуды пере­ менной намагниченности т . Подставляя (8.3.16) в (8.3.15) и при­ равнивая нулю линейные по щчлены, найдем в случае М0 = const, т. е. отсутствия доменной структуры,

£z0 X (п0Ѵ) m + n0 X z0 (n0m) + (n0z0) n0 X m = 0, (8.3.17)

где z0 — единичный вектор в направлении М0, а

(8.3.18)

Выражение (8.3.17) эквивалентно двум скалярным условиям для составляющих вектора т . Направив оси координат, как по­ казано на рис. 8.3.1 (ось х касательиа к граничной поверхности),

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