Генерация продольных акустических волн возбужденной акустической подсистемой при движении доменной границы в ортоферрите иттрия

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. 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. 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. 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.

1. You 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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).

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Ким П.Д., Хван Д.Ч. Вынужденные колебания доменной стенки на высоких частотах // Физика твердого тела. 1982. Т. 24, вып. 8. С. 2300–2304.

12. Барьяхтар И.В., Иванов Б.А. Динамическое торможение доменной границы в слабом ферромагнетике. Киев: ИТФ АН УССР, 1983. 28 с.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. Жуков Е.А. Возбуждение магнитоупругих волн одиночной доменной границей в пластинах ортоферритов // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2007. № 4 (7). С. 61-72.

22. Филиппов А.Ф. Введение в теорию дифференциальных уравнений. Изд. 2-е, испр. М.: КомКнига, 2007. 240 с.

23. 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.

24. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1978. 224 с.

25. 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.