Akademik

(ЦМД) - разновидность ферромагнитных доменов; изолированные однородно намагниченные области в магнитной плёнке (или в тонкой магн. пластинке), имеющие форму круговых цилиндров и направление намагниченности, антипараллельное намагниченности остальной части плёнки. Для образования ЦМД необходимо наличие у магн. плёнки достаточно большой магнитной анизотропии, причём ось лёгкого намагничивания (ОЛН) должна быть перпендикулярна поверхности плёнки. Материалы, в к-рых могут образовываться ЦМД, наз. ЦМД-материалами. К ним относятся монокристаллич. плёнки ферритов-гранатов, аморфные плёнки интерметаллич. соединений редкоземельных и переходных металлов, ортоферриты, гексаферриты и др.

Для характеристики ЦМД-материалов используют т. н. фактор качества Q = K_u/2pM²_s, где К _и - константа одноосной анизотропии, M_s - намагниченность насыщения; в ЦМД-материалах Q>1. Другим важным параметром является характеристич. длина l, задающая характерный размер доменов в данном материале: , где А - т. н. константа неоднородного обмена.

Рис. 1. Цилиндрические магнитные домены (ЦМД) в тонкой магнитной плёнке с одноосной анизотропией (H _см - магнитное поле смешения, d- диаметр ЦМД).

ЦМД могут образовываться при намагничивании плёнки во внеш. магн. поле (поле смещения, или поле подмаг-ничивания) H _см. направленном вдоль ОЛН (рис. 1). Для того чтобы намагниченность в объёме плёнки была направлена вдоль ОЛН, энергия магн. анизотропии должна превышать магнитостатич. энергию (энергию магнитных полюсов, образующихся на поверхности плёнки, когда намагниченность направлена перпендикулярно к этой поверхности).

Первые фотографии изолированных ЦМД были получены в США (1959), решётки ЦМД - в Чехословакии (1960). Для наблюдения ЦМД используют магнитооптич. эффекты ( Фарадея эффект, Керра эффект и др.); существуют также электронные методы регистрации ЦМД.

Основные свойства ЦМД. В исходном размагниченном состоянии (при H=0)плёнка из ЦМД-материала обладает, как правило, неупорядоченной лабиринтной доменной структурой (рис. 2, а) с двумя типами доменов, намагниченность к-рых направлена вдоль либо против нормали к поверхности плёнки. Характерное значение ширины домена в лабиринтной структуре зависит от намагниченности насыщения и составляет 0,5-5 мкм в ферритах-гранатах, 0,1-0,5 мкм в гексаферритах, 30-100 мкм в ортоферритах.

При увеличении напряжённости поля смещения (напр., направленного вверх, как показано на рис. 1) лабиринтная доменная структура превращается в структуру ЦМД; домены с намагниченностью, ориентированной по полю, стремясь уменьшить энергию образца, увеличиваются в объёме, а домены с противоположным направлением намагниченности сжимаются по ширине и уменьшаются по длине до тех пор, пока не превратятся в изолированные ЦМД (рис. 2, б).

ЦМД поддерживается в устойчивом равновесии под действием трёх сил: сжимающей со стороны поля смещения; растягивающей силы магнитостатич. происхождения; сжимающей силы поверхностного натяжения доменной стенки. Именно благодаря последней поддерживается круглая форма ЦМД.

Рис. 2. Трансформация лабиринтной доменной структу ры под действием внешнего поля: а- лабиринтная домен ная структура; б- уединённые ЦМД; в - решётка ЦМД; г -сотовая доменная структура.

Изолированные ЦМД существуют в определ. интервале значений напряжённости поля смещения Н₁<Н _см<Н_2. (рис. 3, слева). При H=H₂ происходит коллапс (схлопыва-ние) ЦМД, при H = H₁ он растягивается в полоску. Кри-тич. поле H₁ наз. полем эллиптич. неустойчивости, H₂ - полем коллапса. Значения этих полей зависят от соотношения между толщиной плёнки h и её характерис-тич. длиной l (рис. 3, справа). При изменении величины H _см в интервале от H₁ до H₂ диаметр ЦМД изменяется примерно на b50% относительно ср. значения, равного 8l. Зависимость диаметра ЦМД от поля смещения практически линейная.

Рис. 3. Слева - зависимость диаметра ЦМД d от поля смещения H _см в плёнках различной толщины; справа - зависимость критических полей H₁ и H₂ от h/l.

В ряде экспериментов, однако, наблюдаются т. н. жёсткие ЦМД. для исчезновения к-рых необходимо приложить поле смещения, почти вдвое превышающее поле коллапса нормального ЦМД, причём конечный диаметр жёсткого ЦМД непосредственно перед коллапсом значительно меньше размера нормального ЦМД в том же материале. Исследования таких различий в поведении при коллапсе, а также в экспериментах по трансляции ЦМД в градиентном поле смещения привели к обнаружению внутр. структуры доменных стенок ЦМД, т. н. состояний ЦМД.

Состояния ЦМД. В плёнках ЦМД-материалов, в отличие от случая неограниченной среды, доменные стенки являются скрученными, сильное размагничивающее поле ориентирует намагниченность вблизи поверхностей плёнки вдоль нормали к плоскости доменной стенки. Тогда в верх. и ниж. частях плёнки стенка имеет структуру Нееля (см. Нееля стенка), и лишь в середине плёнки доменная стенка имеет структуру Блоха (см. Блоха стенка). Толщина доменной границы в типичных ЦМД-материалах изменяется в пределах 10-100 нм.

Состояние ЦМД определяется пространственной конфигурацией намагниченности в центре его доменной стенки в сечении ЦМД плоскостью, проходящей через середину плёнки, где доменная стенка является блоховской и намагниченность лежит в плоскости плёнки. На рис. 4 представлено несколько возможных простых структур стенок ЦМД.

Состояние ЦМД характеризуется т. н. индексом состояния

где f - угол между намагниченностью и произвольным направлением в плоскости плёнки. T. о., S представляет собой общее число полных оборотов намагниченности в центре стенки при обходе домена против часовой стрелки. Наиб. простой доменной структуре соответствует S= 1.

Рис. 4. Возможные структуры стенок ЦМД с малыми индексами S.

Для каждого значения индекса S существуют две возможные конфигурации стенки, связанные с типом винто-образности (спиральности) нормального участка стенки: c⁺ и c ^-, причём, по определению, c⁺ соответствует лево-винтовому распределению намагниченности в нормальной стенке.

Возможны также и другие реально наблюдаемые конфигурации стенок. Так, на рис. 5 (слева) показано состояние ЦМД (S = 0), к-рое может реализоваться при наличии поля в плоскости плёнки. Возникающие в стенке переходные области, связанные с разл. направлением разворота намагниченности в центре стенки, наз. блоховскими линиями (БЛ; в данном случае - вертикальными блоховскими линиями - ВБЛ; см. Блоха линия). В случае конфигурации, изображённой на рис. 5 (справа, S=1), говорят о незакрученной паре БЛ - паре БЛ разного знака (при сближении таких БЛ разворот намагниченности исчезает- линии аннигилируют), в отличие от закрученной пары БЛ (линии одного знака) в структуре на рис. 5 (слева).

Рис. 5. Слева-структура стенки ЦМД с S=0; справа - структура стенки ЦМД с S= 1 с незакрученной парой блоховских линий.

Блоховская линия создаёт поля рассеяния. Эти поля уменьшаются, если БЛ разбивается на две части, намагниченность в к-рых ориентирована антипараллельно. Возникающая при этом переходная область - неоднородное распределение намагниченности в БЛ - наз. блоховской точкой (см. Блоха точка). Так, если верх. часть ЦМД соответствует S= 1, а нижняя S = 0, то в результате получается состояние S=¹/₂. При наличии магн. поля в плоскости плёнки блоховская точка будет перемещаться из центра в направлении, соответствующем увеличению участка БЛ, намагниченность в к-рой ориентирована вдоль поля. T. о., ЦМД может находиться в промежуточном состоянии со значением S между 0 и ¹/₂.

Статическое состояние ЦМД характеризуется тройкой чисел (S, L, P )испиральностью доменной стенки; здесь индекс состояния S - целое или полуцелое число, L - число блоховских линий (чётное), P- число блоховских точек. Для не сильно закрученных доменных стенок (малые индексы S) характерно асимметричное распределение БЛ вдоль контура домена (рис. 4). Этот эффект получил название кластеризации ВБЛ (Хуберт, 1973; Слончевский, 1974) и обусловлен конкуренцией между магнитостатиче-ской и обменной энергиями.

Если число БЛ в стенке ЦМД достаточно велико, то такой домен является жёстким. Для реальных жёстких ЦМД S порядка 30-100. При уменьшении поля смещения жёсткие ЦМД испытывают эллиптич. неустойчивость, однако они не растягиваются до бесконечности, а принимают форму эллипса определ. размера. В свою очередь, эллипсоидальные ЦМД при дальнейшем уменьшении поля преобразуются в домены, имеющие форму гантели. Жёсткие ЦМД нежелательны в ЦМД-устройствах, поэтому для их подавления в поверхностный слой ЦМД-плёнки имплан-тируют атомы H, Не, Ne, а также выращивают многослойные плёнки с малой анизотропией в поверхностном слое либо наносят на поверхность тонкий слой пермаллоя. Наиб. сильно различия между состояниями ЦМД проявляются в динамич. экспериментах.

Динамические свойства ЦМД. Под действием магн. поля смещения, не однородного в плоскости плёнки, ЦМД перемещаются в область с более слабым полем смещения, где их энергия понижается. Движению ЦМД препятствуют сила вязкого трения и коэрцитивность плёнки. Первая из них обусловлена сопровождающим движение ЦМД переворотом спинов в плёнке и, следовательно, диссипацией энергии. Вторая связана с несовершенством структуры плёнки: дефекты структуры затрудняют перемещение ЦМД в плёнке. В результате скорость движения ЦМД определяется выражением

где DH_z - изменение напряжённости поля на расстоянии, равном диаметру ЦМД; h_w - подвижность доменной стенки; Н _с - коэрцитивная сила материала (Пернески, 1969). Типичные значения этих величин в ЦМД-мате-риалах: h_w10²-10³ м ²c^-1 А ^-1, DH_z80-400 А/м, Н _с80 А/м, u1 -10м/с.

Важнейший результат исследований 1970-х гг.- открытие эффекта отклонения траектории поступат. движения ЦМД от направления градиента внеш. поля смещения. Отклонение ЦМД вызывается поперечной гироскопич. силой, действующей на движущийся участок стенки, характеризующийся разворотом вектора намагниченности по азимутальному углу f, независимо от того, локализовано ли изменение f в блоховской линии или распределено непрерывным образом вдоль стенки домена, как в ЦМД с S= 1 (рис. 4) (см. также Доменной стенки динамика). Гироскопич. сила F_q, действующая на ЦМД, зависит от суммарного разворота угла f вдоль стенки домена (т. е. от ср. индекса ):

здесь g - гиромагн. соотношение; n - единичный вектор, направленный против намагниченности внутри домена; u - скорость смещения домена.

Движение ЦМД определяется одноврем. действием продвигающей силы со стороны внеш. поля, силы вязкого трения, коэрцитивной и гиротропных сил (рис. 6). Величина и знак угла сноса ЦМД зависят от индекса ЦМД; при S = 0 ЦМД двигается вдоль проекции градиента поля смещения на плоскость плёнки. При очень большой плотности ВБЛ (жёсткие ЦМД) угол сноса ЦМД стремится к +90⁰.

Рис. 6. Направление действия сил внешнего поля (1), вязкого трения (2, 3) и гироскопической силы (4) для движущегося ЦМД с S= +2(1- фарадеевская сила, 2-сила вязкого трения, 3 -добавочная сила вязко го трения из-за неелевских линий).

При включении или выключении магн. поля в плоскости плёнки возможно движение ЦМД и без внешнего продвигающего градиентного поля смещения. Это движение (т. н. автодвижение) характерно для ЦМД со сложной структурой доменной стенки и связано с перемещением БЛ вдоль стенки ЦМД при изменении внеш. поля.

Воздействие тангенциального магн. поля может приводить также к переходам между состояниями ЦМД. Особенно хорошо исследованы переходы между состояниями (1, 2, 0) ⁺ , (1, 0, 0)⁺, (1, 0, 0)^- и (1, 2, 0)^-.

Существ. влияние на поведение ЦМД при больших скоростях их движения оказывает скручивание спинов в доменной стенке. На заднем верхнем и переднем нижнем краях домена, где проекция скорости на нормаль к плоскости доменной стенки максимальна, происходит зарождение елоховских петель, или горизонтальных блоховских линий (ГБЛ). Под действием гиротропных сил зародившиеся ГБЛ перемещаются в глубь плёнки. Если ГБЛ достигает противоположной поверхности, то это приводит к появлению двух пар ВБЛ на противоположных краях боковой поверхности ЦМД. Затем происходит зарождение следующей пары ГБЛ и т. д. Многократное повторение описанного процесса приводит к образованию большого числа динамически захваченных ГБЛ и ВБЛ, к-рые, увеличивая диссипативную силу, снижают скорость ЦМД, что, в конечном итоге, приводит к насыщению скорости ЦМД. Угол сноса при этом не изменяется, т. к. в каждой паре ВБЛ имеют разные знаки.

Поскольку доменные стенки с БЛ разного знака не обладают статич. устойчивостью, то при выключении поля смещения динамически захваченные БЛ начинают раскручиваться (аннигилировать), что приводит к движению ЦМД по инерции (баллистич. последействие). Прорыв ГБЛ- на поверхность плёнки может сопровождаться также хаотич. изменениями скорости и угла сноса ЦМД.

Решётка ЦМД. При увеличении плотности ЦМД в плёнке вследствие существования в системе доменов магни-тостатич. сил отталкивания неупорядоченная совокупность образовавшихся ЦМД выстраивается в гексагональную решётку ЦМД (рис. 2, в). Решётка ЦМД характеризуется периодом L и диаметром ЦМД d. Поскольку в решётке ЦМД на каждый домен действует магн. поле рассеяния от соседних доменов, то для сохранения прежнего размера уединённого ЦМД требуется меньшее внеш. поле смещения.

Эллиптич. искажения формы ЦМД в решётке при уменьшении напряжённости поля подмагничивания развиваются только в том случае, когда плотность доменов невелика, т. е. L>>d. Если плотность доменов в решётке достаточно велика (Ld), то эллиптич. искажения не возникают и снижение напряжённости магн. поля приводит к искажениям круговой формы доменов: ЦМД приобретают шестиугольную форму (сотовая доменная структура; рис. 2, г). Решётка при этом сохраняет устойчивость не только при H = 0, но и в поле H, параллельном направлению M внутри ЦМД.

Гексагональная ЦМД-решётка имеет три основные моды колебаний: оптическую, соответствующую синфазным радиальным колебаниям ЦМД, и две акустические, соответствующие трансляционным смещениям ЦМД в двух направлениях. Деформационные волны акустич. типа аналогичны звуковым волнам в упругих средах. Возбудить такие войны можно пространственно неоднородным в плоскости плёнки импульсным или ВЧ-полем. Наличие ВБЛ в границе ЦМД и появление нелинейных и гиротропных эффектов обусловливают гибридизацию оптич. и акустич. мод деформационных волн и приводят к появлению коллективных мод ЦМД.

Сильная взаимосвязь радиальной и трансляционных мод деформационных волн в ЦМД-решётках приводит к эффектам спонтанного нарушения симметрии. В полях смещения, по напряжённости близких к напряжённости поля коллапса гексагональной ЦМД-решётки, возникающая под влиянием случайных возмущений деформационная волна с волновым вектором k =4p/L вызывает динамич. неустойчивость решётки, сопровождающуюся спонтанным коллапсом каждого третьего ЦМД. Лавинный процесс коллапса ЦМД сопровождается затем перестройкой исходной решётки в решётку с прежней симметрией, но с большим периодом. При дальнейшем увеличении магн. поля процесс повторяется. Полностью решётка ЦМД исчезает только при значении магн. поля, равного значению поля коллапса уединённого домена.

Применение ЦМД. Свойства ЦМД (устойчивость в нек-ром интервале полей смещения, подвижность, возможность управлять их движением, способность находиться в разл. состояниях и т. д.) определяют их применимость в устройствах обработки информации. ЦМД-устройство состоит из ряда функциональных элементов, обеспечивающих генерацию, продвижение, переключение и детектирование ЦМД. Идея таких устройств состоит в следующем. Пусть в плёнке к.-л. способом сформирован канал, вдоль к-рого могут перемещаться с заданной скоростью ЦМД (канал продвижения ЦМД). Информация представляется в двоичном коде по принципу "наличия - отсутствия" ЦМД. В определ. позициях канала формируют генератор и детектор ЦМД, выполняющие те же функции, что головки записи и считывания в устройствах с подвижными магн. носителями информации. Генератор преобразует поступающие на его вход от внешнего электронного устройства электрич. импульсы в ЦМД, детектор производит обратное преобразование. Важное отличие ЦМД-уст-ройств заключается в том, что в них не требуется механич. перемещений к.-л. элементов.

Рис. 7. а- Доменопродвигающая TI-структура из пе рмаллоевых аппликаций: Н _см и H _упр - магнитные поля смещения и управления, d- диаметр ЦМД; б- схема перемещения ЦМД вдоль TI-структуры.

Наиб. часто используются доменопродвигающие структуры, представляющие собой аппликации определ. формы (напр., в виде TI; рис. 7, а. б )из магнитно-мягкого материала (обычно пермаллоя). При намагничивании пермаллоевых аппликаций управляющим магн. полем, ориентирован. в плоскости плёнки, на их краях возникают магн. полюса. ЦМД притягиваются к отрицат. полюсам аппликаций, т. е. создаётся магнитостатич. ловушка. При вращении управляющего магн. поля в плоскости плёнки потенциальные ямы перемещаются вместе с ЦМД, а в узком зазоре между аппликациями ЦМД переходит на соседнюю аппликацию и продолжает движение по её периметру. За один полный поворот управляющего поля в плоскости плёнки происходит перемещение ЦМД на один период доменопродвигающей структуры. Тактовая частота обращения управляющего поля (10⁵-10⁶ Гц) определяет быстродействие ЦМД-устройства. Величина периода структуры и расстояние между каналами должны быть больше или порядка 4d, с тем чтобы исключить взаимодействие ЦМД. Эта величина определяет плотность записи в ЦМД-устройствах (6^.10⁶ бит/см ² при d=1MKM). Предельная плотность записи информации на феррогранато-вых плёнках составляет 3^.10 бит/см ². Доменопродвигающая структура создаётся фотолитографией или методами ионной имплантации.

Считывание информации производится при помощи магниторезистивного датчика: проходящий через детектор ЦМД своим магн. полем изменяет электрич. сопротивление магн. плёнки детектора.

Построение запоминающих устройств возможно также на ЦМД-решётках. Поскольку ЦМД-решётка не может иметь вакансий, то информация представляется не самими ЦМД, а кодовыми состояниями их границ. В практич. схемах для представления двоичной информации используются ЦМД с простой блоховской границей (S= 1) и двумя ВБЛ (5 = 0).

Для записи информации используются также неподвижные ЦМД, образующиеся под действием лазерного импульса в высококоэрцитивных магн. плёнках (напр., в аморфных плёнках интерметаллич. соединений редкоземельных и переходных металлов типа Tb - Fe, Gd - Со, Tb-Fe - Со и т. д.). Они применяются в разработанных в сер. 1980-х гг. магнитооптич. дисках, обладающих большой плотностью записи информации (10⁷ бит/см ²) и высоким быстродействием.

Лит.: Бобек Э., Делла Торре Э., Цилиндрические магнитные домены, пер. с англ., M., 1977; Эшенфельдер А., Физика и техника цилиндрических магнитных доменов, пер. с англ., M., 1983; О'Делл Т., Ферромагнитодинамика, пер. с англ., M., 1983; Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах. Справочник, под ред. H. H. Евтихиева, Б. H. Наумова, М„ 1987.

А. К. Звездин. Г. В. Сайкo.