techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-4-82-94techusgu-377Research ArticleФИЗИКАPHYSICSГенерация продольных акустических волн возбужденной акустической подсистемой при движении доменной границы в ортоферрите иттрияGeneration of longitudinal acoustic waves by an excited acoustic subsystem during the movement of a domain wall in Yttrium orthoferritehttps://orcid.org/0000-0002-5196-565XЖуковЕ. А.ZhukovE. A.

Жуков Евгений Александрович, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры автоматики и системотехники

Evgeny A. Zhukov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Professor of the Department of Automation and Systems Engineering

e_a_zhukov@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-9224-9123ЖуковаВ. И.ZhukovaV. I.

Жукова Валентина Ивановна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры высшей математики

Valentina I. Zhukova, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Higher Mathematics

v-i-zhukova@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7089-0692КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

Aleksander P. Kuzmenko, Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher of the Regional Center of Nanotechnology

apk3527@mail.ruТихоокеанский государственный университетРоссияPacific State UniversityRussian FederationДальневосточный государственный университет путей сообщенияРоссияFar Eastern State University of Railway EngineeringRussian FederationЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation2025150120261548294Copyright © Жуков Е.А., Жукова В.И., Кузьменко А.П., 20262026Жуков Е.А., Жукова В.И., Кузьменко А.П.Zhukov E.A., Zhukova V.I., Kuzmenko A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/377Цель исследования

Цель исследования. Рост скоростей обработки информации и плотность ее записи являются особо востребованными. В этих целях приоритеты отданы энергонезависимым магнитным материалам без ограничения сроков сохранения на основе фиксированной ориентации магнитных моментов в ячейках памяти. Быстродействие систем и элементов в них зависимо от скорости переключения моментов, особенно обусловленной движением доменных границ. Скорость движения доменных границ в слабых ферромагнетиках, к примеру, ортоферрите иттрия в несколько раз превышает как поперечные, так и продольные звуковые. Очевидно, что изучение взаимного влияния магнитной и акустических подсистем в условиях перехода доменных границ через звуковые барьеры важно для повышения эффективности работы таких устройств. Целью настоящей работы является определение прямого вклада магнитных волновых колебаний намагниченности в движении доменной границы в генерацию продольных акустических волн и их обратного влияния на процессы перемагничивания в ортоферрите иттрия.

Методы

Методы. Объектом исследования в работе является решение системы динамических уравнений, описывающих взаимодействие магнитной и акустических подсистем, возбуждаемых движущейся доменной границей в ортоферрите иттрия. Уравнения решаются методами: теории возмущений, медленно меняющихся амплитуд и Лагранжа.

Результаты

Результаты. Впервые получено явное решение смещения продольной акустической волны, генерируемой магнитной подсистемой, сопровождающей движущуюся доменную границу в ортоферрите иттрия с учетом обратного влияния акустической волны. С использованием известных значений параметров, входящих в систему динамических уравнений, описывающих взаимодействия при движении доменной границы в ортоферрите иттрия продольной акустической волны и магнитной подсистемы выполнены численные расчеты на основании полученного решения. Показано, что максимальный вклад на движущуюся доменную границу в ортоферрите иттрия из-за обратного влияния продольной акустические волны достигает порядка  м вдали от волновой скорости и увеличивается в 104 раз (до порядка  м) при скорости доменной границы близкой к волновой скорости, т.е. становится сопоставимым с ее теоретической толщиной по Ландау ≈ 10-8 м.

Заключение

Заключение. Получено явное решение учитывающее взаимное влияние на механизмы взаимодействия магнитной и акустических подсистем квазичастичных возбуждений, сопровождающих околозвуковые движения доменной границы в ортоферрите иттрия, позволяющее учесть современные требованиям к запоминающим и логическим устройствам по качеству и скорости обработки информации. Получены практически значимые оценки вкладов таких взаимодействий для совершенствования элементной базы таких устройств.

The purpose of this study is to determine the direct contribution of magnetic wave oscillations of magnetization during domain wall motion to the generation of longitudinal acoustic waves and their feedback effect on magnetization reversal processes in yttrium orthoferrite.Methods. The object of this study is the solution of a system of dynamic equations describing the interaction of magnetic and acoustic subsystems excited by a moving domain wall in yttrium orthoferrite. The equations are solved using perturbation theory, slowly varying amplitude theory, and Lagrangian methods.Results. For the first time, an explicit solution was obtained for the displacement of a longitudinal acoustic wave generated by a magnetic subsystem accompanying a moving domain wall in yttrium orthoferrite, taking into account the feedback effect of the acoustic wave. Using known values of the parameters included in the system of dynamic equations describing the interactions between the longitudinal acoustic wave and the magnetic subsystem during domain wall motion in yttrium orthoferrite, numerical calculations were performed based on the obtained solution. It is shown that the maximum contribution to a moving domain wall in yttrium orthoferrite due to the feedback effect of a longitudinal acoustic wave reaches about 10-12 m far from the wave velocity and increases by a factor of 104  (to about 10-8 m) at a domain wall velocity close to the wave velocity, i.e., it becomes comparable to its theoretical Landau thickness of ≈ 10-8 m.Conclusion. An explicit solution is obtained that takes into account the mutual influence of quasiparticle excitations accompanying transonic domain wall motion in yttrium orthoferrite on the interaction mechanisms of the magnetic and acoustic subsystems. This solution allows for meeting modern requirements for memory and logic devices in terms of quality and speed of information processing. Practically significant estimates of the contributions of such interactions are obtained for improving the component base of such devices. 

доменная границаакустические волнымагнитная подсистемаволновые колебаниянамагниченностьортоферрит иттриdomain boundaryacoustic wavesmagnetic subsystemwave oscillationsmagnetizationyttrium orthoferriteReferencesYou C.Y. Concept of the field-driven domain wall motion memory // Journal of magnetism and magnetic materials. 2009. Vol. 321, no. 7. P. 888-890.You C.Y. Concept of the field-driven domain wall motion memory. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2009;321(7):888-890.Magnetic domain-wall logic / D.A. Allwood, G. Xiong, C.C. Faulkner, D. Atkinson, D. Petit, R.P. Cowburn // Science. 2005. Vol. 309, no. 5741. P. 1688-1692.Allwood D.A., Xiong G., Faulkner C.C., Atkinson D., Petit D., Cowburn R.P. Magnetic domain-wall logic. Science. 2005;309(5741):1688-1692.Study of the structural and dimensional features of the magnetization reversal in transparent weak ferromagnets / A.P. Kuz'menko, E.A. Zhukov, V.I. Zhukova, Tsz. Li, A.V. Kaminskii // The Physics of Metals and Metallography. 2008. Vol. 106, no. 2. P. 164-172.Kuz'menko A.P., Zhukov E.A., Zhukova V.I., Li Tsz., Kaminskii A.V. Study of the structural and dimensional features of the magnetization reversal in transparent weak ferromagnets. The Physics of Metals and Metallography. 2008;106(2):164-172.Complex structural-ferroelectric domain walls in thin films of hexagonal orthoferrites RFeO3 (R=Lu, Er) / V.V. Roddatis, A.R. Akbashev, S. Lopatin, A.R. Kaul // Applied Physics Letters. 2013. Vol. 103, no. 11. P. 112907.Roddatis V.V., Akbashev A.R., Lopatin S., Kaul A.R. Complex structural-ferroelectric domain walls in thin films of hexagonal orthoferrites RFeO3 (R=Lu, Er). Applied Physics Letters. 2013;103(11):112907.Гареева З.В., Филиппова В.В., Звездин А.К. Мультиферроидальные материалы для устройств спинтроники // Физика твердого тела. 2024. Т. 66, вып. 8. С. 1251-1257.Gareeva Z.V., Filippova V.V., Zvezdin A.K. Mul'tiferroidal'nye materialy dlya ustroystv spintroniki. Fisika tverdogo tela = Physics of the Solid State. 2024;66(8):1251-1257.Shapaeva T.B. Investigation of domain wall dynamics in transparent ferromagnets using highspeed photography // Moscow University Physics Bulletin. 2024. Vol. 79, no. 6. P. 813-838.Shapaeva T.B. Investigation of domain wall dynamics in transparent ferromagnets using highspeed photography. Moscow University Physics Bulletin. 2024;79(6):813-838. (In Russ.)Magneto-optical diffraction of visible light as probe of nanoscale displacement of domain walls at femtosecond timescales / A. Dolgikh, T.B. Shapaeva, K.T. Yamada, M.V. Loginov, T.H. Rasing, A.V. Kimel // Review Scientific Instruments. 2023. Vol. 94, no. 10. P. 103001(7).Dolgikh A., Shapaeva T.B., Yamada K.T., Loginov M.V., Rasing T. H., Kimel A.V. Magnetooptical diffraction of visible light as probe of nanoscale displacement of domain walls at femtosecond timescales. Review Scientific Instruments. 2023;94(10):103001(7).Туров Е.А., Шавров В.Г. Нарушенная симметрия и магнитоакустические эффекты в ферро- и антиферромагнетиках // Успехи физических наук. 1983. Т. 140, вып. 3. С. 429–462.Turov E.A., Shavrov V.G. Broken symmetry and magnetoacoustic effects in ferro- and antiferromagnets. Uspekhi fizicheskikh nauk = Physics-Uspekhi. 1983;140(3):429-462. (In Russ.)Звездин А.К., Мухин А.А. Магнитоупругие уединенные волны и сверхзвуковая динамика доменных границ // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. 1992. Т. 102, вып. 2. С. 577–599.Zvezdin A.K., Mukhin A.A. Magnetoelastic solitary waves and supersonic dynamics of domain walls. Zhurnal Eksperimental'noi i Teoreticheskoi Fiziki = Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1992;102(2):577–599. (In Russ.)Dynamics of topological magnetic solitons. Experiment and theory / ed. by V.G. Bar'yakhtar, M.V. Chetkin, B.A. Ivanov, S.N. Gadetskii. Berlin: Springer, 1994. Vol. 129. 181 р.Bar'yakhtar V.G., Chetkin M.V., Ivanov B.A., Gadetskii S.N., eds. Dynamics of topological magnetic solitons. Experiment and theory. Berlin: Springer; 1994. 181 р.Ким П.Д., Хван Д.Ч. Вынужденные колебания доменной стенки на высоких частотах // Физика твердого тела. 1982. Т. 24, вып. 8. С. 2300–2304.Kim P.D., Khvan D.Ch. Forced oscillations of the domain wall at high frequencies. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State. 1982;24(8):2300-2304. (In Russ.)Барьяхтар И.В., Иванов Б.А. Динамическое торможение доменной границы в слабом ферромагнетике. Киев: ИТФ АН УССР, 1983. 28 с.Bar'yakhtar I.V., Ivanov B.A. Dynamic braking of the domain boundary in a weak ferromagnet. Kiev: ITF AN USSR, 1983. 28 p. (In Russ.)Звездин А.К., Попков А.Ф. Распространение спиновых волн в движущейся доменной границе // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1984. Т. 39, вып. 8. С. 348–351.Zvezdin A.K., Popkov A.F. Propagation of spin waves in a moving domain boundary. Pis'ma v Zhurnal eksperimental'noi i teoreticheskoi fiziki = Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. 1984;39(8):348-351. (In Russ.)Magneto-elastic resonant phenomena at the motion of the domain wall in weak ferromagnets / A.P. Kuz'menko, E.A. Zhukov, M.B. Dobromyslov, A.V. Kaminsky // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007. Vol. 310, no. 2, pt. 2. Р. 1610-1612.Zhukov E.A., Zhukova V.I., Kuzmenko A.P. Contribution of the magnetic subsystem to the generation of longitudinal acoustic waves during domain wall motion in Yttrium orthoferrite. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2023;13(4):54-65. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-4-54-65.Жуков Е.А., Жукова В.И., Кузьменко А.П. Вклад магнитной подсистемы в генерацию продольных акустических волн при движении доменной границы в ортоферрите иттрия // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 4. С. 54-65.Zhukov E.A., Zhukova V.I., Kuz'menko A.P. Contribution of the magnetic subsystem to the generation of longitudinal acoustic waves during domain wall motion in yttrium orthoferrite. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2023;13(4):54-65. (In Russ.)Жуков Е.А., Кузьменко А.П., Щербаков Ю.И. Торможение движущейся доменной границы в слабых ферромагнетиках // Физика твердого тела. 2008. Т. 50, вып. 6. С. 1033-1036.Zhukov E.A., Kuz'menko A.P., Shcherbakov Yu.I. Braking of a moving. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State. 2008;50(6):1033-1036. (In Russ.)Кузьменко А.П., Жуков Е.А., Ли Ц. Резонансное возбуждение магнитоупругих колебаний в ортоферритах одиночной доменной границей // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2005. № 1. С. 9-24.Kuz'menko A.P., Zhukov E.A., Li Ts. Resonant excitation of magnetoelastic oscillations in orthoferrites by a single domain boundary. Vestnik Tikhookeanskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of the Pacific State University. 2005;(1):9-24. (In Russ.)Механизмы генерации волн Лэмба доменной границей в пластине слабого ферромагнетика / Е.А. Жуков, М.Е. Адамова, В.И. Жукова, А.П. Кузьменко // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 4. С. 123-136.Zhukov E.A., Adamova M.E., Zhukova V.I., Kuz'menko A.P. Mechanisms of lamb wave generation by domain wall in a plate of weak ferromagnetic. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2021;11(4):123-136. (In Russ.)Жуков Е.А., Жукова В.И. Расчеты взаимодействия магнитных и продольных акустических волн с участием доменной границы в ортоферритах // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2021. № 4 (63). С. 55-64.Zhukov E.A., Zhukova V.I. Calculations of the Interaction of magnetic and longitudinal acoustic waves with the participation of a domain wall in yttrium orthoferrites. Vestnik Tikhookeanskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of the Pacific State University. 2021;(4):55-64. (In Russ.)Жуков Е.А., Жукова В.И. Вклад акустической подсистемы в генерацию магнитных волн при движении доменной границы в ортоферрите иттрия // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2023. № 3 (70). С. 31-40.Zhukov E.A., Zhukova V.I. Contribution of the acoustic subsystem to the generation of magnetic waves during domain wall motion in yttrium orthoferrite. Vestnik Tikhookeanskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of the Pacific State University 2023;(3):31-40. (In Russ.)Жуков Е.А. Возбуждение магнитоупругих волн одиночной доменной границей в пластинах ортоферритов // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2007. № 4 (7). С. 61-72.Zhukov E.A. Excitation of magnetoelastic waves by a single domain boundary in orthoferrite plates. Vestnik Tikhookeanskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of the Pacific State University. 2007;(4):61-72. (In Russ.)Филиппов А.Ф. Введение в теорию дифференциальных уравнений. Изд. 2-е, испр. М.: КомКнига, 2007. 240 с.Filippov A.F. Introduction to the Theory of Differential Equations. Ed. 2nd. Moscow: KomKniga, 2007. 240 р. (In Russ.)Метод генерации, усиления и измерения параметров гиперзвуковых волн в магнитных кристаллах / Е.А. Жуков, В.И. Жукова, А.В. Каминский, В.В. Корчевский, В.И. Римлянд // Вестник ТОГУ. 2012. № 3 (26). С. 17-27.Zhukov E.A., Zhukova V.I., Kaminskiy A.V., Korchevskiy V.V., Rimlyand V.I. Method of generation, amplification and measurement of hypersonic waves in magnetic crystals. Vestnik Tikhookeanskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of the Pacific State University. 2012;(3):17-27. (In Russ.)Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1978. 224 с.Dvayt G.B. Tables of integrals and other mathematical formulas. Moscow: Nauka; 1978. 224 p. (In Russ.)Влияние магнитных волновых колебаний намагниченности в движущейся доменной границе в ортоферрите иттрия на генерацию поперечных акустических волн / Е.А. Жуков, В.И. Жукова, А.П. Кузьменко, А.С. Сизов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2025. Т. 15, № 2. С. 89-101.Zhukov E.A., Zhukova V.I., Kuzmenko A.P., Sizov A.S. Influence of magnetic wave oscillations of magnetization in a moving domain wall in yttrium orthoferrite on the generation of transverse acoustic waves. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2025;15(2):89-101. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2025-15-2-89-101.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.