Развитие методов исследования нестационарных откликов в магнитоупорядоченных материалах и сверхпроводниках (06.04.2009)

Автор: Плешаков Иван Викторович

Личный вклад автора. Содержание диссертации соответствует вкладу автора в опубликованные работы. В статьях, посвященных ядерному магнитоупругому резонансу, теоретическая часть принадлежит А.В. Иванову. В работах, связанных с исследованием магнитных свойств ВТСП, теория разработана Ю.И. Кузьминым. Во всех случаях, однако, автор диссертации принимал участие в обсуждении рассматриваемых моделей, его в вклад выполнение экспериментов был определяющим, а анализ полученных результатов проводился совместно. В ряде публикаций он является единственным автором.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

В материалах c сильными магнитоупругими свойствами существуют нестационарные отклики акустической природы в виде сигналов индукции, параметрической генерации и эха, формирующихся на собственных колебаниях кристалла. На их основе создана методика измерения акустического затухания и магнитокристаллической анизотропии вещества.

Нестационарные магнитоакустические отклики, формирующиеся на собственных колебаниях кристалла, обладают свойством усиливаться под действием импульсов на удвоенной несущей частоте. Характеристики магнитоакустического параметрического эха позволяют применять его в устройствах обработки импульсной информации (эхо-процессорах).

В веществах с сильной магнитоупругой связью в области взаимодействия акустической и ядерной спиновой систем, наблюдается эффект ядерного магнитоупругого резонанса, характеризующийся собственными коэффициентом усиления и динамическим сдвигом частоты. Это впервые обнаруженное явление позволило определить поле сверхтонкого взаимодействия, которое возникает вследствие воздействия ядерной спиновой системы на электронную.

Радиочастотное эхо в высокотемпературных сверхпроводниках имеет магнитоакустическую ангармоническую природу и является способом бесконтактного возбуждения и регистрации ультразвука. С его помощью измерено температурное поведение затухания упругих колебаний и выполнена оценка величины щели в высокотемпературных сверхпроводниках, содержащих магнитные ионы, а также в дибориде магния.

Методом ядерного магнитного резонанса в борате железа регистрируются оптически индуцированные эффекты: изменение магнитокристаллической анизотропии и динамическое уменьшение подрешеточной намагниченности под действием света. Фоточувствительные центры, ответственные за эти явления, связаны с существованием в кристалле ионов двухвалентного железа.

С использованием амплитудно-фазовых свойств сигналов эха и индукции, общих для всех откликов данного типа, создана универсальная методика временной селекции выходныx сигналов эхо-процессоров.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна, выдвинуты положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены нестационарные отклики сигналы эха и индукции) как явления, общие для многих физических систем. Описываются основанные на наблюдении нестационарных откликов методики изучения вещества. Показано, что с использованием эхо-сигналов можно создавать устройства функциональной электроники (эхо-процессоры). Большое внимание уделено специальным вопросам, используемым далее в работе: особенностям наблюдения фононного эха и нестационарных откликов в магнитоупорядоченных материалах, свойствам легкоплоскостных антиферромагнетиков со слабым ферромагнетизмом и анизотропией типа ”легкая плоскость” (АФЛП), проблеме применения ЯМР для регистрации фотомагнитного эффекта (ФМЭ) в магнетиках.

Во второй главе описана экспериментальная техника, методика проведения экспериментов и образцы, использованные в работе.

в различные моменты времени, и с раздельным регулированием амплитуд по каналам.

можно было вращать без выхода из плоскости.

, и в которой размещалась кварцевая ампула с образцом.

Эксперименты проводились при температурах, изменяемых от гелиевых (2 К) до комнатных, магнитные поля доходили до 50 кЭ.

К дополнительным установкам, использованным в работе, относились оптическая система (позволявшая регистрировать сигналы нестационарного ЯМР одновременно с освещением образца), и система измерения магнитных характеристик вещества с помощью датчика Холла.

-Fe2O3, а также феррит Li0.5Fe2.5O4, во вторую вошли ВТСП (YBa2Cu3O7-?, Bi2Sr2Ca2Cu3Oy GdBa2Cu3O7-?, YBa2Cu3-xFexO7-?, Tl2Ba2Ca2Cu3Oy) и диборид магния (MgB2).

, [1 – 7]. Эти сигналы (индукция, эхо, и некоторые другие, обнаруженные в настоящей работе) имеющие магнитоакустическую природу, рассмотрены как информативный способ изучения свойств материалов в широком частотном диапазоне от нескольких десятков до сотен мегагерц. Воздействие оказывалось импульсами РЧ магнитного поля, несущая частота которых соответствовала обычному либо параметрическому резонансу упругих колебаний образца. В силу существования сильного магнитоупругого взаимодействия, указанные вещества представляли собой удобные объекты для отработки связанной с регистрацией нестационарных откликов методики.

лежала за пределами полосы приемного устройства, и его перегрузка сильным возбуждающим импульсом отсутствовала. Измерение временных параметров и ориентационных зависимостей нестационарных откликов данного типа позволило определить добротность нагруженного образца и поле его магнитокристаллической анизотропии в базисной плоскости. Была также установлена величина инкремента параметрического усиления.

Снятие акустического демпфирования кардинально изменяло характер откликов. В этом случае индукция представляла собой затухающие за более длительное время нерегулярные осцилляции, соответствующие одновременному возбуждению многих мод и наблюдающиеся непрерывно во всем диапазоне магнитных полей, при которых существенны магнитоупругие явления. Спектр магнитоакустических колебаний свободно подвешенного образца был изучен с помощью методики параметрической генерации; было установлено, что каждая мода, ранее подавленная демпфированием, так же, как и колебание, соответствующее основному размерному резонансу, управляется магнитным полем, то есть, было обнаружено, что собственные колебания ненагруженного кристалла представляют собой неоднородно уширенную систему осцилляторов, частоты которых зависят от внешнего воздействия. В такой системе могут образовываться отклики в виде сигналов эха.

????????????

, усиленные и ослабленные составляющие складываются, порождая, вследствие разницы их величин, ненулевую намагниченность, индуцирующую эхо-сигнал.

можно считать справедливым соотношение

- знак комплексного сопряжения. Выражение (2) во временн?й области имеет форму свертки, что позволяет проводить операции обработки входных сигналов.

, снятые в режиме малого отклика, продемонстрировали удовлетворительное соответствие выражению (2).

С помощью параметрического эха было измерено время затухания упругих мод в свободно подвешенном монокристалле, которое возросло по сравнению с соответствующим параметром демпфированного образца более, чем на порядок. Оценка добротности колебаний в этом случае дала величину ~ 104.

Таким образом, в третьей главе приводятся данные исследования физических явлений в магнитоупругой системе АФЛП, которые могут быть положены в основу создания методик исследования материалов. Описан впервые обнаруженный в работе эффект – параметрическое эхо на собственных магнитоакустических колебаниях кристаллов, свойства которого делают возможным его использование в устройствах функциональной электроники.

= 77 К).

. Совокупность данных особенностей позволила выделить описываемое явление в особый вид ядерного магнитоакустического резонанса – ядерный магнитоупругий резонанс (ЯМУР).

(Burzo E. FeBO3 and other MBO3-based compounds. In: Llandolt-Boernstein Handbook, Group III Condensed Matter, V. 27h. – Springer-Verlag, 1993. – P. 58 - 64.).

Поскольку сигнал ЯМУР представляет собой индуцированные движением ядерной намагниченности магнитоупругие колебания, он, так же, как и любой другой отклик такой природы, может быть усилен параметрическим импульсом на удвоенной несущей частоте. Этот эффект наблюдался [9], и был использован для изучения затухания [11]. Величина усиления достигала ~ 102.

от магнитного поля.

При снятии акустического демпфирования взаимодействие между магнитоупругими волнами и ядерными спинами становится настолько сильным, что в области пересечения соответствующих дисперсионных кривых система совершает единое ядерно-упругое колебание, у которого имеется зависимость частоты от внешнего магнитного поля. Последнее обстоятельство давало возможность возбуждать ядерно-упругое параметрическое эхо по схеме, рассмотренной в третьей главе. Одно из проявлений данного эффекта состояло в увеличении времени релаксации, измеренному по эхо-сигналу, [12].

Кроме того, он представляет самостоятельный интерес как материал для записи оптической информации. Было установлено, что при освещении кристалла происходит сдвиг линии ЯМР и увеличение интенсивности отклика, связанное с понижением поля магнитокристал-лической анизотропии (это иллюстрируется рис. 7). Первый из эффектов (указывающий на изменение подрешеточной намагниченности), существует только в процессе освещения, а второй носит долговременный характер (это наблюдалось также акустическим методом - по длительному сохранению измененного порога параметрической генерации). В сочетании с изучением спектров пропускания образцов, отожженных в вакууме при различных температурах, с помощью ЯМР удалось показать, что фоточувствительные центры, ответственные за ФМЭ, содержат ионы двухвалентного железа.

Пятая глава диссертации посвящена описанию методики, разработанной для измерения магнитных параметров сверхпроводящих материалов. Магнитное поле принципиально важно при образовании нестационарных откликов сверхпроводников. В ВТСП, в силу сложности строения этих материалов, процесс намагничивания отличается рядом важных специфических черт, которые при рассмотрении в данных веществах эффектов магнитоакустической природы должны быть приняты во внимание. Необходимость характеризации образцов и выяснения роли тех особенностей ВТСП, которые существенны для процесса формирования в этих материалах фононного эха, поставили задачу отдельного изучения их магнитных свойств. В настоящей работе эти исследования рассматривались как вспомогательные, однако они дали важную информацию о параметрах вещества, имеющую также самостоятельное значение.

получена приближенная формула.

. Эта методика иллюстрируется рис. 8. Введение дополнительного внешнего воздействие на вихри захваченного потока позволило изучить статистические свойства центров пиннинга и распределение магнитных критических токов в ВТСП различной морфологии. Получены численные оценки для сил пиннинга в некоторых практически важных случаях. Некоторые примеры таких данных сведены в Таблицу (в ней

ТАБЛИЦА

Образец,


загрузка...