Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Бичурин М И, Петров В М,
4.5. Магнитоэлектрический эффект в области магнитоакустического резонанса
Как указывалось выше, резонансное усиление МЭ восприимчивости α = δP/δH происходит при переменном магнитном поле δH, настроенном на частоту ЭМР. Можно ожидать аналогичных явлений при ФМР для магнитной подсистемы, когда электрическое поле оказывает влияние на параметры магнитного резонанса и величину MЭ эффекта. Описанные выше теоретические модели позволили оценить сдвиг δHr резонансного магнитного поля, индуцированный приложенным электрическим полем E. Мы наблюдали этот сдвиг в системах состава ФЛ-ЦТС и ЖИГ-PMN-PT. Были найдены теоретические оценки MЭ коэффициента A = δHr/E, при этом они соответствовали экспериментальным данным [50, 53].
Здесь мы предлагаем теорию MЭ взаимодействия при совпадении ФМР и ЭМР, в области магнитоакустического резонанса [49, 54]. Ожидается, что при ФМР спин-решеточная связь и спиновые волны приведут к увеличению пьезоэлектрического и MЭ взаимодействий. Дальнейшее усиление MЭ эффекта можно ожидать при наложении ФМР и ЭМР. Использование двухслойных структур на основе ферритов с низкими потерями, таких как ФН или ЖИГ способствует наблюдению эффектов, предсказанных в этой работе. Для расчетов мы используем уравнения движения среды для пьезоэлектрической и магнитострикционной фаз и уравнение движения намагниченности. Наиболее важные результаты заключаются в следующем: (1) Совпадение ФМР и ЭМР делает возможным обмен энергией между фононами и спиновыми волнами, электрическими и магнитными полями. Показано, что это преобразование является весьма эффективным в структуре феррит-ЦТС. (2) Гигантский MЭ эффект ожидается в области магнитоакустического резонанса, при этом величина МЭ коэффициента по напряжению составляет несколько сотен, В/(см•Э). (3) MЭ эффект в области МАР может быть использован для реализации миниатюрных датчиков, наносенсоров и преобразователей, работающих на высоких частотах, поскольку совпадение согласно расчетам наблюдается на сверхвысоких частотах в двухслойных структурах.
Мы рассматриваем двухслойную структуру феррит-ЦТС, показанную на рис. 26, на которую действует поле подмагничивания H0. Пьезоэлектрическая фаза электрически поляризуется полем Е0, приложенному параллельно полю H0. Предполагается, что H0 достаточно велико, чтобы насытить феррит до образования однодоменной структуры, которая имеет два преимущества. При отсутствии доменов акустические потери минимальны. Однодоменная структура обеспечивает необходимые условия для достижения большей эффективной восприимчивости в области ФМР.
Рис. 26. Двухслойная структура состава феррит-ЦТС:
Н и Е – микроволновые магнитное и электрическое поля
Плотность свободной энергии монокристаллического феррита определяется выражением:
mW = WH + Wan + Wma + Wac, (73)
где WH = – M·Hi – энергия Зеемана, М – намагниченность, Hi – внутреннее магнитное поле, включающее поле размагничивания, Wan – энергия кубической кристаллической анизотропии с константой кубической анизотропией K1 и намагниченностью насыщения M0:
Магнитоупругая энергия записывается в виде:
,
где B1 и B2 – магнитоупругие константы, Si – деформации. Наконец, упругую энергию можно представить как:
где mcij – модуль упругости.
Обобщенный закон Гука для пьезоэлектрической фазы может быть представлен следующим образом.
(74)
где pe15 – пьезоэлектрический коэффициент; pE – напряженность электрического поля. Уравнения движения среды для ферритовой и пьезоэлектрической фаз могут быть записаны в следующей форме:
(75)
Уравнение движения намагниченности имеет следующую форму:
(76)
где 
Для упрощения вычислений используются циклические переменные для волн с круговой поляризацией.
(77)
где m – переменная намагниченность; u – смещение.