Автореферат разослан “25” августа 2008 г


PDF просмотр
НазваниеАвтореферат разослан “25” августа 2008 г
Дата конвертации07.09.2012
Размер86,9 Kb.
ТипАвтореферат
СпециальностьФизика конденсированного состояния
Год2008
На соискание ученой степениКандидат физико-математических наук
  
Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН. 
На правах рукописи 
 
 
 
 
Научный руководитель:         доктор физико-математических наук 
 
Фраерман Андрей Александрович 
 
 
 
Официальные оппоненты: 
доктор физико-математических наук 
 
Демиховский Валерий Яковлевич 
УДАЛОВ ОЛЕГ ГЕОРГИЕВИЧ 
ННГУ им. Н.И. Лобачевского  
 
 
 
доктор физико-математических наук 
 
Марченко Владимир Иванович 
 
 
Институт физических проблем  
ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ 
им. П.Л. Капицы 
МАГНИТНЫХ СИСТЕМ С НЕКОМПЛАНАРНЫМ 
 
РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НАМАГНИЧЕННОСТИ 
Ведущая организация: Физико-технический институт  
 
им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Защита состоится “25” сентября 2008 г. в 16 часов на заседании 
Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния 
диссертационного  совета  Д 002.098.01 Института  физики 
 
микроструктур РАН (603950, Нижний Новгород, ГСП-105, комната). 
 
 
 
С  диссертацией  можно  ознакомиться  в  научно-технической 
 
библиотеке института. 
 
 
 
Автореферат разослан “25” августа 2008 г. 
 
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т  
 
диссертации на соискание ученой степени 
 
кандидата физико-математических наук 
Ученый секретарь 
 
диссертационного совета 
 
доктор физико-математических наук                             К.П. 
 
Гайкович 
Нижний Новгород - 2008 
 
 
  2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 
 
 
Научная новизна  
Актуальность темы 
1.  Впервые  проведен  расчет  угловых  зависимостей  коэффициентов 
Исследование  транспортных  свойств  систем  с  магнитной 
отражения 
нейтронов 
от 
среды 
с 
некомпланарным 
структурой  в  настоящее  время  является  одним  из  бурно 
геликоидальным  распределением  намагниченности  за  рамками 
развивающихся направлений физики твердого тела. Это обусловлено 
борновского приближения. Показано, что в угловых зависимостях 
перспективами  использования  магнитных  систем  для  создания 
коэффициента отражения возникает дополнительная особенность 
новых  приборов  электроники  с  более  высоким  быстродействием, 
при  переходе  от  компланарного  распределения  намагниченности 
надежностью  и  меньшим  энергопотреблением.  Значительным 
к некомпланарному.  
достижением  в  этой  области  стало  открытие  эффекта  гигантского 
2.  Построена феноменологическая теория, описывающая поправки к 
магнитосопротивления 
многослойных 
структур 
линейной  и  нелинейной  проводимости  магнитных  сред, 
ферромагнетик/немагнитный 
металл [1]. Активно 
ведутся 
возникающие, 
если 
распределение 
намагниченности 
исследования  явления  перемагничивания  таких  многослойных 
некомпланарно.  Показано,  что  среды  с  некомпланарным 
структур посредством пропускания через них спин-поляризованного 
распределением 
намагниченности 
обладают 
оптической 
электрического 
тока [2]. Эффекты 
гигантского 
активностью, в них возникает “топологический” эффект Холла и 
магнитосопротивления  и  перемагничивания  током  предполагается 
эффект выпрямления электрического тока.  
использовать для создания систем записи и хранения информации, а 
3.  Рассчитаны 
вольт-амперные 
характеристики 
среды 
с 
также  для  создания  датчиков  магнитного  поля [3]. С  точки  зрения 
геликоидальным  распределением  намагниченности.  Показано, 
транспортных свойств наиболее исследованными в настоящее время 
что  в  такой  среде  существует  эффект  выпрямления  переменного 
являются  системы,  в  которых  распределение  намагниченности 
тока. 
коллинеарно  или  неколлинеарно,  но  компланарно.  Исследования 
 
транспортных  свойств  материалов  и  структур  с  некомпланарным 
Научная и практическая значимость.  
распределением  намагниченности  начаты  сравнительно  недавно. 
Результаты  диссертации  позволяют  продвинуться  в  понимании 
Интерес к таким материалам и структурам обусловлен тем, что в них 
особенностей  транспортных  явлений  в  системах  с  магнитным 
возникают качественно новые явления. В частности, в ряде веществ, 
упорядочением  и  могут  быть  использованы  при  создании  новых 
которые  обладают  некомпланарной  магнитной  структурой, 
приборов  спиновой  электроники.  Теоретически  предсказанный  в 
экспериментально 
обнаружен 
и 
описан 
теоретически 
диссертации эффект выпрямления переменного электрического тока 
“топологический”  эффект  Холла,  не  возникающий  в  компланарных 
в  среде с  некомпланарной  магнитной структурой расширяет список 
системах [4]. 
эффектов, 
которые 
возникают 
в 
магнито-упорядоченных 
Другим 
фактором, 
стимулирующим 
развитие 
теории 
материалах.  Построенная  в  работе  феноменологическая  теория 
транспортных  явлений  в  системах  с  магнитным  упорядочением, 
позволяет  на  основе  знания  магнитной  структуры  какой-либо 
является  значительный  прогресс  в  области  создания  искусственных 
системы  предсказать  возможные  особенности  проводимости  этой 
структур  со  сложным  (в  том  числе  и  некомпланарным) 
системы,  такие  как  “топологический”  эффект  Холла,  оптическая 
пространственным распределением намагниченности.  
активность  и  эффект  выпрямления  переменного  тока.  На  основе 
 
феноменологической  теории  можно  качественно  предсказать 
Цель работы 
зависимость указанных эффектов от внешнего магнитного поля, что 
Целью  данной  работы  является  исследование  особенностей 
является  важным  с  экспериментальной  точки  зрения.  Развитая  в 
транспортных  свойств  магнитных  систем  с  некомпланарным 
данной  работе  микроскопическая  теория  проводимости  среды  с 
распределением намагниченности. 
  3
  4

геликоидальной  магнитной  структурой  раскрывает  механизмы 
workshop “Meso-06” (Черноголовка, 2006 год).  Кроме  того, 
возникновения диодного эффекта в ней и позволяет сделать оценки 
результаты  данной  работы  были  доложены  на  семинарах  в 
его величины для конкретного материала. 
Институте  физики  микроструктур  РАН,  Институте  физических 
 
проблем  им.  П.Л.  Капицы,  Нижегородском  государственном 
Основные положения, выносимые на защиту: 
университете  им.  Н.И.  Лобачевского  и  Физико-техническом 
1.  По  угловым  зависимостям  коэффициентов  отражения  нейтронов 
институте им. А.Ф. Иоффе. 
от  среды  с  геликоидальной  некомпланарной  магнитной 
 
структурой 
можно  обнаружить  снятие  краммерсовского 
Публикации 
вырождения спектра нейтронов в такой среде.  
По  теме  диссертации  опубликовано 11 печатных  работ,  в  том 
2.  Анализ  симметрии  показывает,  что  в  среде  с  некомпланарным 
числе 4 статьи  в  реферируемых  журналах  и 7 в  сборниках 
распределением 
намагниченности 
могут 
существовать 
материалов международных и всероссийских конференций. 
“топологический” эффект Холла, оптическая активность и эффект 
 
выпрямления электрического тока.  
Структура и объём диссертации 
3.  Микроскопическими  механизмами  возникновения  диодного 
Диссертация  состоит  из  введения,  четырех  глав,  заключения. 
эффекта  в  среде  с  геликоидальной  некомпланарной  магнитной 
Общий  объем  диссертации  составляет 111 страниц,  включая 29 
структурой  являются  асимметрия  групповой  скорости,  упругого 
рисунков. 
Список 
цитируемой 
литературы 
включает 98 
рассеяния  и  переходов  между  спиновыми  подзонами  электронов 
наименований, список публикаций автора по теме диссертации – 11 
проводимости. 
наименований. 
 
 
Личный вклад автора в полученных результатах  
Основное содержание диссертации 
Вклад автора в совместных с научным руководителем исследованиях 
Во  Введении  обоснована  актуальность  темы  исследований, 
следующий: 
показана  ее  научная  новизна  и  практическая  значимость, 
-  основной  в  расчете  отражения  нейтронов  от  поверхности 
сформулированы  цели  работы,  а  также  представлены  сведения  о 
геликоидальной магнитной структуры [А1]. 
структуре и содержании работы; приводятся положения, выносимые 
-  равнозначный  в  расчет  вольт-амперной  характеристики  среды  с 
на защиту. 
геликоидальной магнитной структурой. [А2]. 
Глава  1  представляет  собой  обзор  литературы  по  теме 
-  равнозначный  в  расчет  фотогальванического  эффекта  в  среде  с 
диссертации.  Рассмотрены  работы,  посвященные  исследованию 
геликоидальной магнитной структурой [А3]. 
проявления  обменного  и  спин-орбитального  взаимодействия  в 
 
транспортных  свойствах  различных  материалов  и  структур. 
Апробация полученных результатов работы 
Приведен  обзор  существующих  некомпланарных  структур.  С  точки 
Результаты  данной  работы  опубликованы  в  отечественных  и 
зрения  симметрии  проанализированы  особенности  поведения 
зарубежных  журналах,  а  также  докладывались  на  всероссийских  и 
электронов  в  таких  структурах  в  рамках s-d модели.  Показано,  что 
международных  конференциях: Cимпозиум  “Нанофизика  и 
для  электронов  проводимости  в  среде  с  некомпланарным 
наноэлектроника” (Н.Новгород, 2006, 2007, 2008 года), Конференция 
распределением намагниченности за счет обменного взаимодействия 
“Новые  Магнитные  Материалы 2006” (Москва, 2006 год), 
может  быть  снято  краммерсовское  вырождение  энергетического 
“International Conference on Nanoscale Magnetism 2007” (Турция, 
спектра.  Приведен  обзор  работ,  посвященных  теоретическим  и 
Стамбул, 2007 год), INTAS Workshop 2006 “Hierarchy of scales in 
экспериментальным  исследованиям  “топологического”  эффекта 
magnetic nanostructures” (Н.  Новгород, 2006 год), Advanced research 
Холла 
в 
средах 
с 
некомпланарным 
распределением 
  5
  6



намагниченности.  Кроме  того,  кратко  рассмотрены  работы, 
Найдены волновые функции и энергетический спектр нейтронов 
посвященные 
магнитной 
нейтронографии 
геликоидальных 
и  в  вакууме  и  в  веществе.  Спектр  нейтронов  в  вакууме  имеет 
магнитных структур.  
параболический  вид.  Спектр  нейтронов  в  среде  с  геликоидальной 
Глава 2 посвящена  исследованию  особенностей  отражения 
магнитной структурой 
r
±
ε (k) определяется формулой:  
sp
нейтронов  от  среды  с  геликоидальной  некомпланарной  магнитной 
2
r
h 
2
q
~
~

структурой.  Теоретически  показано,  что  в  эксперименте  по 
±
ε k
( ) = U +
k
k
k
q k
| |
B
2B qk
. (4) 
sp
0
 2 + 2 + 2 +
±
2 2 +
2 −
z
x
y
z
z
z 
магнитной 
нейтронографии 
можно 
наблюдать 
снятие 
2m
4
n 

~r
r
краммерсовского  вырождения  спектра  нейтронов  в  среде  с 
Здесь  B = γ
/
B
e
c . 
n
h
некомпланарной  магнитной  структурой  на  примере  магнитной 
 
спирали. 
Рассмотрена задача об отражении поляризованных нейтронов от 
полубесконечной среды с геликоидальной магнитной структурой.  
Распределение  индукции  магнитного  поля  в  среде  описывалось 
выражением: 
rB = (bcos(qz),bsin(qz),B . (1) 
z )
Данное распределение может быть как компланарным, если  qB b = 0 , 
z
так  и  некомпланарным,  если  qB b ≠ 0.  Ось  геликоида – ось z - 
z
    
 
направлена  перпендикулярно  границе  раздела.  Предполагается,  что 
период 
магнитной 
структуры 
много 
больше 
периода 
(а) 
  (б) 
кристаллической 
решетки. 
Подобная 
магнитная 
структура 
Рис. 1. Спектр нейтронов в магнитной спирали.(а) -  B = 0 ; (б) -  B ≠ .
0 . 
z
z
реализуется  в  кристаллах  редкоземельных  элементов,  таких  как 
 
гольмий,  диспрозий,  эрбий,  а  также  в  таких  соединениях  как MnSi 
Угловые зависимости коэффициента отражения нейтронов содержат 
или FeGe.  
информацию об особенностях спектра нейтронов в ферромагнитной 
Для 
описания 
нейтронов 
в 
рассматриваемой 
системе 
спирали. Изменяя угол падения нейтронов на образец, мы проходим 
использовано уравнение Шредингера в виде: 
все  экстремумы  спектра  (рис. 1). Наиболее  интересной 
2
2
h ∂ Ψ
r

+ χ(z)U Ψ − rΨ
µˆ
B
= εΨ,
  
особенностью  спектра  нейтронов  в  магнитной  спирали  является 
2m
z2
0

(2) 
n
снятие 
краммерсовского 
вырождения 
при 
переходе 
от 
r (
B r)
r = (bcos(qz)χ(z),bsin (qz)χ(z),B
компланарного  (рис. 1а)  распределения  намагниченности  к 
z ),
некомпланарному  (рис. 1б).  Снятие  краммерсовского  вырождения 
 ,
1 z ≥ 0 . 
(3) 
~
~
χ(z) = 
проявляется в расщеплении по энергии двух экстремумов  ε  и  ε .  
0
1
 ,
0 z < 0
В  работе  рассчитаны  угловые  зависимости  коэффициентов 
где  m  - масса  нейтрона,  r γ eh r  - оператор  магнитного  момента 
отражения  нейтронов  от  ферромагнитной  спирали  (рис. 2). 
n
µˆ = n
σˆ
m
2
c
n
Параметры 
3
b =
9
,
38 ⋅10 Гс,  q = ,
1 24   нм-1  (при  температуре 70°  К), 
нейтрона ( γ = − 91
,
1
,  σˆr  - вектор матриц Паули, с – скорость света, e – 
8
U = 9
,
6
10−

эВ взяты для гольмия, длина волны нейтронов  λ = 1нм, 
n
0
величина  заряда  электрона),  U  - средняя  по  кристаллу  энергия 
величина  внешнего  поля  B
θ
  на 
0
z = 2 кГс.  Углы,  обозначенные 
0 ,
1
, 2,3
взаимодействия нейтронов с ядрами. 
рисунке 2, соответствуют энергиям нейтронов  ~ε
 (рис. 1).  
0 ,
1
, 2,3
  7
  8





Угловая  зависимость  коэффициента  отражения  с  изменением 
сравнению  с  “компланарными  средами”  транспортные  явления,  а 
поляризации  нейтрона  существенно  зависит  от  наличия  или 
также  на  основе  анализа  симметрии  определен  вид  тензоров 
отсутствия  внешнего  магнитного  поля  B .  В  отсутствии z-
проводимости, описывающих эти явления. 
z
компоненты  магнитного  поля  зависимости  R   и  R   имеют  лишь 
В  работе  сделан  ряд  предположений  относительно  среды, 
↑↓
↓↑
транспортные  свойства  которой  исследуются.  Считается,  что 
один  критический  угол,  соответствующий  минимально  возможной 
r r
энергии  нейтронов в среде, тогда как в присутствии внешнего поля 
амплитуда  намагниченности  | M(r) |   одинакова  во  всех  точках  этой 
r r
на  кривых  R   и  R   появляется  еще  один  критический  угол  θ . 
среды, и  M(r)  может только поворачиваться при переходе из одной 
↑↓
↓↑
1
Такое  поведение  является  следствием  асимметрии  энергетического 
точки  в  другую.  При  этом  намагниченность  вращается  в 
спектра нейтронов в ферромагнитной спирали (неравенства энергий 
пространстве медленно, т.е. поворот на угол порядка  π  происходит 
~
~
ε ≠ ε ). 
на  расстояниях  существенно  больших,  чем  постоянная  решетки  и 
0
1
длина  свободного  пробега  электрона.  Основное  предположение 
 
относительно  исследуемой  среды  состоит  в  том,  что  обменное 
 
взаимодействие  является  в  ней  доминирующим  и  всеми 
 
θ
θ
θ


θ2 

релятивистскими  взаимодействиями  можно  пренебречь.  Задача 
 
состоит  в  нахождении  возможного  вида  поправок  к  проводимости, 
 
возникающих 
из-за 
неоднородности 
распределения 
 
намагниченности. 
 
Так  как  намагниченность  вращается  в  среде  медленно,  то 
 
проводимость  можно  представить  в  виде  суммы  проводимости 
 
однородной  среды  и  поправок,  связанных  с  неоднородностью  и 
 
зависящих,  соответственно,  от  пространственных  производных 
 
намагниченности.  Таким  образом,  плотность  тока  в  среде, 
 
r
 
помещенной во внешнее электрическое поле  E , имеет вид: 
r r r
r ∂ r
r r
r ∂ r
r
 
j = σ (E, | M |)E + σ (M,
M,..., E)E + σ (M,
M,..., )∇E  
(5) 
0
M
∂rr
ME
∂rr
 
Зависимость  проводимости  от  электрического  поля  означает 
 
возможность  существования  нелинейных  эффектов.  Первое 
 
слагаемое  правой  части (5) описывает  проводимость  однородной 
 
(а)
среды. 
Второе 
слагаемое 
связано 
с 
неоднородностью 
 
(б) 
Рис. 2. Угловые зависимости коэффициента отражения нейтронов.  θ  - угол 
намагниченности, а третье слагаемое зависит еще и от производной 
скольжения нейтронов. Падающие нейтроны поляризованы по внешнему 
по электрическому полю и описывает пространственную дисперсию.  
полю. (а) -  B = 0 кГс; (б) -  B = 2 кГс. 
На  возможный  вид  тензоров  проводимости  σ   и  σ  
M
z
z
ME
 
накладывается  два  ограничения.  Первое  связано  с  тем,  что  при 
В  Главе  3  изложена  феноменологическая  теория  особенностей 
инверсии 
пространства 
знак 
тока 
должен 
меняться 
на 
проводимости 
сред 
с 
неоднородным 
распределением 
противоположный.  Второе  ограничение  связано  с  отсутствием  в 
намагниченности.  Показано,  что  в  среде  некомпланарным 
системе  релятивистских  взаимодействий.  Это  подразумевает,  что 
распределением  намагниченности  могут  возникать  новые  по 
при повороте всех магнитных моментов в системе на один и тот же 
угол  гамильтониан  системы  и  соответственно  любые  физические 
  9
 10

величины (кроме направления вектора намагниченности) не должны 
При  этом  величина  аномального  эффекта  Холла  в  такой  частице 
меняться.  Таким  образом,  тензоры  σ   и  σ   должны  быть 
составляет, по оценкам, 10-6.  
M
ME
инвариантны  относительно  вращения  намагниченности.  Из  этого 
Кроме  “топологического”  эффекта  Холла  в  некомпланарных 
ограничения следует, что линейных по намагниченности эффектов в 
магнитных  системах  может  также  существовать  линейный  эффект 
такой среде не может быть. 
другого рода. Если электрическое поле неоднородно в пространстве, 
В диссертации построены тензоры  σ  и  σ , удовлетворяющие 
то  возможна  добавка  к  проводимости,  пропорциональная  линейной 
M
ME
пространственной  производной  электрического  поля.  В  оптике 
двум  указанным  требованиям.  В  параграфе 3.1 представлен 
данный  эффект  называется  оптической  активностью.  Тензор, 
единственно  возможный  тензор,  описывающий  линейный  по 
описывающий этот эффект, представлен в параграфе 3.3: 
электрическому  полю  вклад  в  ток  и  содержащий  два  вектора 
r
r
2
намагниченности:  
 r  M

∂ M  ∂
OA
OA
σ
= ˆα
M, 
,

. (8) 
i, j
ijklmn 

 r
r
r
x

x

x

x

M
M
M

 l
m
n  
k
MR
∂ 2
 ∂
∂ 
σ
= K δ
K
,
. (6) 
i, j
1 ij ∑
+ 



2 

Симметрия  тензора  шестого  ранга,  стоящего  перед  смешанным 
k  ∂x
x
x
k 
 ∂

i
j 
произведением,  определяется  кристаллической  симметрией.  Тензор 
Данный 
тензор 
описывает 
эффект 
гигантского 
(8) отличен от нуля только в случае некомпланарного распределения 
магнитосопротивления [1].  Из  выражения (6) следует,  что 
намагниченности.  Отметим,  что  тензор  OA
магнитосопротивление  может  существовать  в  системах  с 
σ   может  быть  отличен от 
ij
компланарным распределением намагниченности.  
нуля  и  в  одномерной  системе.  В  качестве  примера  распределения 
Единственный  тензор,  который  содержит  три  вектора 
намагниченности,  для  которого  данный  тензор  не  равен  нулю, 
намагниченности  и  описывает  линейный  по  электрическому  полю 
можно  привести  магнитную  спираль,  в  которой  “топологического” 
эффект, имеет вид (3.2): 
эффекта  Холла  не  может  существовать.  Оценки  показывают,  что 
 r  r
r
M
M
относительная  поправка  к  проводимости  для  среды  с  параметрами, 
H

∂ 


σ = K M,
,
. (7) 
i, j
H 



близкими  к  параметрам  гольмия,  в  области  плазменного  резонанса 
x
∂x 

 i
j 

составляет 10-6.  
Из  свойств  векторного  произведения  следует,  что  тензор  H
σ  
В 3.4 построен тензор квадратичной проводимости: 
является  антисимметричным.  Таким  образом,  он  описывает  эффект 
 r  r
r
M
M
Q
Q

∂2

σ = α
 M,
,
 . 
(9) 
типа  эффекта  Холла.  Его  называют  “топологическим”  эффектом 
ijk
ijklmn 



 ∂x ∂x ∂x
l
m
n  
Холла.  Нетрудно  видеть,  что  тензор (7) отличен  от  нуля  только  в 
Диодный  эффект,  как  видно  из (9), также  может  существовать 
системе  с  некомпланарным  распределением  намагниченности,  
только в среде с некомпланарным распределением намагниченности. 
изменяющейся  при  этом,  как  минимум,  по  двум  направлениям. 
Примером такого распределения является геликоид.  
Примером  такой  системы  является  частица  с  вихревым 
В  Главе  4  данной  диссертации  определены  микроскопические 
распределением  намагниченности.  В  работе  сделана  оценка 
механизмы  возникновения  диодного  эффекта  в  среде  с 
величины 
этого 
эффекта 
на 
основе 
полуклассической 
некомпланарной геликоидальной магнитной структурой. 
микроскопической модели, предложенной в работе [5], для круглых 
Рассмотрена  следующая  задача.  Бесконечная  среда  с  магнитной 
“вихревых  частиц”  из  кобальта.  При  комнатной  температуре  в 
структурой  в  виде  спирали  находится  во  внешнем  однородном 
отсутствие  внешнего  магнитного  поля  в  частице  диаметром 100 нм 
r
отношение  поперечного  сопротивления,  возникающего  из-за 
(вообще  говоря,  переменном)  поле  E ,  направленном  вдоль  оси 
“топологического”  эффекта  Холла,  к  продольному  составляет 10-5. 
геликоида – оси z. Предполагается,  что  среда  является  металлом. 
Электроны в среде рассеиваются на немагнитных примесях, а также 
 11
 12

на 
фононах. 
Необходимо 
вычислить 
квадратичную 
по 
Описание  поведения  электронного  газа  в  работе  проведено  на 
электрическому полю компоненту тока. 
основе кинетического уравнения Больцмана: 
Описание электронов проводимости осуществлено на основе s-d 
r
f ±
∂ (k)
r
r
+


(12) 
модели  Вонсовского,  в  рамках  которой  магнитные  свойства 
− eE
= I [f (k), f (k)]
∂ k
scatt
h
вещества  определяются  локализованными d-электронами,  а 
z
r
±
транспортные  свойства – делокализованными s-электронами. s и d 
в  котором  f (k)  - функция  распределения  по  состояниям,  E  - z-
электроны  взаимодействуют  друг  с  другом  обменным  образом. 
компонента электрического поля. Интеграл столкновений, стоящий в 
Электроны  проводимости  описываются  в  этом  случае  уравнением 
правой  части  уравнения,  включает  рассеяние  на  немагнитных 
Шредингера вида: 
примесях и на фононах. 
2
Нелинейный  ток,  возникающий  в  среде,  определяется 
h
r r

∆Ψ − σˆ
J
Ψ
M = Ψ
ε , 
(10) 
выражением: 
2me
ε
2
f
3
J2
где  m  - масса электрона. Под  J  понимается эффективная обменная 
j = e(eE )
τ
m β
+ c~
c~
(
) , (13) 
e
Q
3
z f
1
2
2
r
h
εf
константа  (она  имеет  размерность  энергии),  а  под  M  - единичный 
где  τ  - время  релаксации  электронов  по  импульсу,  ε  - энергия 
вектор,  направленный  вдоль  магнитного  момента.  Для  среды  с 
f
геликоидальной магнитной структурой имеем: 
Ферми, 
2
β =
qk / 2m J , k
c~  - константы. 
f
h
f
e
f – квазиимпульс Ферми, 
,
1 2
r
M = (
2
2
1− m cos(qz), 1− m sin(qz),m . 
(11) 
Из  выражения (13) следует,  что  квадратичная  компонента 
z
z
z )
При  решении  использовалось  квазиадиабатическое  приближение,  в 
электрического  тока  отлична  от  нуля  только  в  случае 
рамках  которого  предполагается,  что  период  прецессии  спина 
некомпланарной  магнитной  спирали.  Величина  квадратичного  тока 
электрона проводимости вокруг намагниченности мал по сравнению 
пропорциональна  кубу  параметра  адиабатичности  β .  Выражение 
с  периодом  вращения  магнитного  поля  в  системе  координат, 
для тока состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое возникает из-
связанной  с  электроном.  Это  соответствует  выполнению  условия 
за асимметрии рассеяния, а второе из-за асимметрии спектра.  
2
β = h qk / 2m J << 1.  
В работе сделана оценка диодного эффекта для редкоземельных 
z
e
В  первом  параграфе  рассматривается  случай  постоянного 
металлов  типа Ho, Dy, Er, в  которых  при  достаточно  низких 
электрического поля, которое приводит только к перераспределению 
температурах  возникает  геликоидальная  магнитная  структура.  При 
электронов  по  состояниям  в  каждой  из  спиновых  подзон  по 
приложении к образцу электрического поля 100 В/см, квадратичная 
отдельности и не вызывает переходы электронов из одной спиновой 
компонента электрического тока составит величину порядка 
3
j ≈ 10  
Q
подзоны в другую. Выпрямление электрического тока в этом случае 
А/м2. При этом линейная по электрическому полю компонента тока - 
возникает из-за асимметрии спектра электронов и из-за асимметрии 
порядка 
11
j ≈ 10  А/м2.  
L
упругого  рассеяния  электронов  на  примесях  и  фононах.  Под 
В  параграфе 4.2 рассмотрен  случай  высокочастотного 
асимметрией  спектра  здесь  понимается  наличие  в  спектре 
электрического  поля,  которое  может  приводить  к  переходам 
кубических  по  квазиимпульсу  слагаемых.  Асимметрия  рассеяния 
электронов 
проводимости 
между 
различными 
спиновыми 
означает,  что  выполняется  неравенство  Wij(k , k ) ≠ Wij(−k ,−k )  
1
2
1
2
подзонами.  В  этом  случае  эффект  выпрямления  возникает  уже  в 
(здесь  Wij - вероятность  перехода  при  рассеянии  из  состояния  с 
первом  порядке  по  параметру  квазиадиабатичности.  Он  обусловлен 
квазиимпульсом k1 в спиновой подзоне i в состояние с k2 в спиновой 
асимметрией  переходов  электронов  проводимости  из  одной 
подзоне j). Асимметрия спектра и асимметрия рассеяния возникают 
спиновой  подзоны  в  другую.  Под  асимметрией  переходов 
в кубическом по параметру квазиадиабатичности приближении.  
подразумевается  то,  что  относительное  изменение  групповой 
скорости  электрона  при  переходе  из  одной  спиновой  подзоны  в 
 13
 14

другую 
неодинаково 
для 
электронов, 
движущихся 
в 
внешнего отражения, при переходе от компланарного распределения 
противоположных  направлениях,  что  и  приводит  к  возникновению 
магнитного поля в среде к некомпланарному на угловой зависимости 
постоянного тока. 
коэффициента  отражения  нейтронов  с  переворотом  спина 
Вероятность переходов в работе вычислена в электро-дипольном 
появляется дополнительный критический угол. 
приближении.  Для  описания  электронного  газа  используется 
2. Развита феноменологическая теория, описывающая поправки к 
кинетическое уравнение Больцмана вида: 
проводимости  магнитных  сред,  обусловленные  неоднородностью 
r
)
1
( ±
r
r
распределения 
намагниченности. 
Показано, 
что 
среды 
с 
− f
(k) = ∫ 3 ± (0)±
d k' W
, (14) 
r (f
(k) − f (0)m
r
(k'))
τ
k
k '
некомпланарным  распределением  намагниченности  могут  быть 
где 
±
Wrr  - вероятность  перехода  электрона  из  нижней  спиновой 
оптически  активными;  также  в  них  могут  наблюдаться 
k
k '
“топологический” 
эффект 
Холла 
и 
эффект 
выпрямления 
подзоны  в  верхнюю,  (0)±
f
 - равновесная  функция  распределения, 
электрического тока.  
)
1
( ±
f
 - поправка  к  функции  распределения,  возникающая  под 
3.  В  рамках  микроскопической  модели  показано,  что  вольт-
действием переменного электрического поля. 
амперная  характеристика  среды  с  геликоидальной  некомпланарной 
Плотность  постоянного  тока,  текущего  в  системе  вдоль  оси 
магнитной  структурой  в  случае  постоянного  внешнего  поля 
геликоида, определяется выражением: 
содержит  члены  квадратичные  по  электрическому  полю.  Причина 
τ
1
инт
3
2
2
j
≈ −e
q m β E . 
(15) 
возникновения  диодного  эффекта  в  такой  среде – асимметрия 
z
2
z f
hm 32
ω
π
спектра и асимметрия упругого рассеяния электронов проводимости. 
e
При  получении  данной  формулы  предполагалось,  что  спектральная 
4.  Построена  микроскопическая  теория  эффекта  выпрямления 
плотность  интенсивности  падающего  излучения  одинакова  во  всем 
переменного  электрического  тока,  возникающего  в  среде  с 
интервале  частот,  где  возможны  переходы,  и  равна 
2
E .  Из 
геликоидальной некомпланарной  магнитной  структурой, для  случая 
ω
выражения (15) видно, что постоянный ток отличен от нуля, только 
переменного внешнего поля с частотой, близкой к частоте переходов 
если распределение намагниченности некомпланарно. 
электронов  проводимости  между  спиновыми  подзонами.  Показано, 
В  работе  сделаны  оценки  величины  постоянного  тока  для 
что  возникновение  этого  эффекта  обусловлено  асимметрией 
редкоземельных  металлов (Ho, Dy, Er). Если  на  такой  металл  с 
фотовозбуждения электронов проводимости. 
геликоидальной  магнитной  структурой  падает  электромагнитное 
 
Список цитированной литературы 
излучение 
интенсивностью 
I = 1011 эрг /(с ⋅ см 2 ) , 
частотой 
[1] Baibich, M.N. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic 
13
−1
ω ≈ J / h ≈ 10 c   и  шириной  спектра 
12
1
ω
∆ ≈ mq ε / m
10 c−

,  то 
superlattices / M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, et al. // Physical Review 
J
F
e
Letters .- 1988 .- V. 61 .- N. 21 .- P. 2472 
плотность 
тока, 
который 
потечет 
в 
образце, 
составит 
[2] Myers, E. B. Current-Induced Switching of Domains in Magnetic 
14
3
2
j ≈ 10
СГС
.
ед
≈ 10 А / м . 
Multilayer Devices / E. B. Myers, D. C. Ralph, J. A. Katine, R. N. Louie, 
Отметим  в  заключение,  что,  несмотря  на  малость,  эффект 
R. A. Buhrman // Science .- 1999 .- V. 285 .- P. 867–870 
выпрямления  переменного  электрического  тока  в  среде  с 
[3] Hirota, E. Giant magneto-resistance devices / E. Hirota, H. Sakakima, 
геликоидальной  магнитной  структурой  является  наблюдаемым  и  в 
K. Inomata // Berlin, Springer .- 2002 
области низких и в области высоких частот. 
[4] Taguchi, Y. Spin chirality, Berry phase, and anomalous Hall effect in a 
В Заключении представлены основные результаты работы:  
frustrated ferromagnet / Y. Taguchi, Y. Oohara, H. Yoshizawa, et. al // 
1.  Рассчитаны  угловые  зависимости  коэффициентов  отражения 
Science .- 2001 .- V. 291 .- P. 2573 
поляризованных  нейтронов  от  среды  с  геликоидальной  магнитной 
структурой. Показано, что в области углов, близких к углу полного 
 15
 16

[5] Aharonov, Ya. Origin of the geometric forces accompanying Berry’s 
[A10]  Фраерман,  А.А.  Теория  диодного  и  фотогальванического 
geometric potentials / Ya. Aharonov, A. Stern // Physical Review Letters 
эффектов  в  среде  с  геликоидальной  магнитной  структурой / А.А. 
.- 1992 .- V. 69 .- N. 25 .- P. 3593 
Фраерман,  О.Г.  Удалов // XII международный  симпозиум 
 
“Нанофизика и наноэлектроника”  (Н.Новгород, 10-14 марта 2008 г) 
Список публикаций автора по теме диссертации 
.- 2008 .- т.2 , с.279-280. 
[A1]  Фраерман,  А.А.  Особенности  распространения  нейтронов  в 
[A11] Фраерман,  А.А.  Естественная  оптическая  активность  и 
среде с геликоидальной магнитной структурой / А.А. Фраерман, О.Г. 
"топологический  эффект  Холла"  в  средах  с  некомпланарным 
Удалов // ЖЭТФ .-  2007 .- т. 131 .- вып. 2, с. 71-76. 
распределением  намагниченности / А.А.  Фраерман,  О.Г.  Удалов // 
[A2]  Фраерман, 
А.А. 
Фотогальванический 
эффект 
в 
XII  международный  симпозиум  “Нанофизика  и  наноэлектроника”  
ферромагнетиках 
с 
некомпланарным 
распределением 
(Н.Новгород, 10-14 марта 2008 г) .- 2008 .- т.2, с.291-292 
намагниченности / А.А. Фраерман, О.Г. Удалов // Письма в ЖЭТФ – 
 
2008. – т.87. – вып. 3, с.187-191. 
 
[A3]  Fraerman, A.A. Diode effect in the medium with a helical magnetic 
 
structure / A.A. Fraerman, O.G. Udalov // Physical Review B .– 2008 .– 
 
Vol. 77 .- №9, p. 094401-094404. 
 
[A4]  Фраерман,  А.А.  Особенности  распространения  нейтронов  в 
среде с геликоидальной магнитной структурой / А.А. Фраерман, О.Г. 
 
Удалов // Известия  РАН.  Серия  Физическая .– 2007 .– т. 71 .- №1, 
 
с.32-36. 
 
[A5]  Фраерман,  А.А.  Особенности  распространения  нейтронов  в 
 
среде  с  геликоидальной  магнитной  структурой / Фраерман  А.А., 
 
Удалов О.Г.  // Материалы всероссийского симпозиума “Нанофизика 
 
и  наноэлектроника” (Н.Новгород, 13-17 марта 2006 г) .- 2006 .- т.1, 
 
с.25-29. 
 
[A6]  Удалов, 
О.Г. 
Особенности 
движения 
электронов 
в 
 
мезоскопических  системах  с  ферромагнитной  спиралью / О.Г. 
 
Удалов,  А.А.  Фраерман // Сборник  трудов XX международной 
 
школы-семинара  “Новые  магнитные  материалы  микроэлектроники”  
 
(Москва, 12-16 июня 2006 г) .- 2006, с. ВП-17. 
 
[A7]  Фраерман,  А.А.  Диодный  эффект  в  среде  с  геликоидальной 
магнитной  структурой / А.А.  Фраерман,  О.Г.  Удалов // XI 
 
международный  симпозиум  “Нанофизика  и  наноэлектроника” 
 
(Н.Новгород, 10-14 марта 2007 г) .– 2007 .– т.1, с.239-240. 
 
[A8]  Фраерман, 
А.А. 
Фотогальванический 
эффект 
в 
 
некомпланарных магнитных системах / А.А. Фраерман, О.Г. Удалов 
 
// XI международный  симпозиум  “Нанофизика  и  наноэлектроника” 
 
(Н.Новгород, 10-14 марта 2007 г) .- 2007 .– т.1, с.241-242. 
 
[A9]  Udalov, O.G. Diode effect in the medium with a helical magnetic 
 
structure / O.G. Udalov, A.A. Fraerman // Book of abstracts of 
 
International Conference on Nanoscale Magnetism 2007 (June 25-29, 
 
2007, Istanbul, Turkey) .- 2007, p.117. 
 
 17
 18

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Автореферат 
 
 
 
Подписано к печати 26.06.2008г. Тираж 100 экз. 
Отпечатано на ризографе в Институте физики микроструктур РАН 
 
603950, Нижний Новгород, ГСП-105 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДАЛОВ ОЛЕГ ГЕОРГИЕВИЧ 
 
ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ 
МАГНИТНЫХ СИСТЕМ С НЕКОМПЛАНАРНЫМ 
РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ НАМАГНИЧЕННОСТИ 
 19
 20


Разместите кнопку на своём сайте:
поделись


База данных защищена авторским правом ©dis.podelise.ru 2012
обратиться к администрации
АвтоРефераты
Главная страница