Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.

Институт общей физики им. А.М.Прохорова Российской академии наук, Москва, Россия

e-mail: randoshkin_v@mail.ru

Гиромагнитное отношение в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов с одноосной магнитной анизотропией

Монокристаллические пленки феррит-гранатов (МПФГ) для различных приложений выращивают методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из переохлажденного раствора-расплава [1]. Предельная скорость стационарного движения ДС в МПФГ пропорциональна эффективному значению гиромагнитного отношения g [2]. Для большинства МПФГ значение g/g₀ = 0,5 ¸1, где g₀ = 1,76 х 10^-7 Э^-1 с^-1 - гиромагнитное отношение ионов Fe³⁺, и скорость ДС V = 5 ¸30 м/с. Один из путей повышения быстродействия доменных устройств на основе МПФГ состоит в увеличении g [2,3]. Безвисмутовые МПФГ с высоким g были получены в работах [3-5]. Висмут-содержащие МПФГ с повышенным гиромагнитным отношением разрабатывались в только Институте общей физики РАН (см. таблицу) [6-20].

Значение g-фактора для основного состояния свободного многоэлектронного иона можно рассчитать по формуле Ланде:

g = 1 + [J(J + 1) + S(S + 1) - L(L + 1)]/[2J (J + 1)] (1)

где J, S и L - квантовые числа, определяемые по правилу Хунда [21]. Значения g-фактора для свободных трехвалентных редкоземельных ионов остаются приблизительно справедливыми и для ионов, находящихся в кристаллической решетке феррит-граната [22]. Для ионов с L = 0 (Fe ³⁺, Gd ³⁺) g-фактор, как и для свободного электрона, равен 2. Особый случай представляет ион Eu ³⁺, g -фактор которого по формуле Ланде (1) вычислить нельзя, так как его основное состояние характеризуется J = 0 и L = S. Однако, несмотря на отсутствие полного механического момента, ион Eu³⁺ является парамагнитным [23,24], поэтому для него g >>2 [25].

В Gd-содержащих МПФГ эффективное значение гиромагнитного отношения определяется соотношением [8]:

γ = γ₀ (M_Fe + M_Gd + M_R) / (M_Fe + M_Gd), (2)

где γ₀ = 1.76 х 10⁷ Э^-1 с^-1 – гиромагнитное отношение ионов Fe³⁺, M_Gd и M_R – части намагниченности додекаэдрической подрешетки в структуре граната, обусловленные ионами Gd³⁺и R³⁺, соответственно, M_Fe – суммарная намагниченность тетра- и октаэдрической подрешеток в структуре граната, обусловленная ионами Fe³⁺. В отсутствие в составе феррит-граната гадолиния соотношение (2) принимает вид формулы Киттеля [21]:

γ = γ₀ (M_Fe + M_R) / M_Fe. (3)

Среди редкоземельных ионов, создающих в эпитаксиальных МПФГ в паре с висмутом одноосную магнитную анизотропию, быстрорелаксирующими являются ионы Tm³⁺, Eu³⁺, Yb³⁺, Er³⁺, Sm³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺ и Tb³⁺. Заметим, что в этом ряду ионы расположены по мере возрастания приведенного параметра затухания Ландау-Лифшица Λ.

В точке компенсации магнитного момента (КММ), которая имеет место при (M_Fe + M_Gd + M_R) → 0, и суммарный магнитный момент, и эффективное значение гиромагнитного отношения равны нулю. В точке компенсации момента импульса (КМИ), которая имеет место при M_Fe + M_Gd → 0, эффективное значение ǀγǀ → ∞, причем по обе стороны от этой точки значение γ имеет разные знаки, что доказано экспериментально [26].

Для исследования влияния на скорость ДС уровня замещения железа немагнитными ионами, приводящего к изменению суммарного магнитного момента ионов Fe³⁺, были синтезированы МПФГ (Bi,Eu,Lu)₃Fe_5-t(Ga,Al)_tO₁₂, выращенные на подложках GGG с ориентацией (111). Содержание ионов Ga³⁺ и Al³⁺ в этих пленках изменяли в диапазоне от 0/5 ≤ t ≤ 1.8 путем варьирования в растворе-расплаве мольного отношения R₂ = Fe₂O₃/(Ga₂O₃ + Al₂O₃) в интервале от 14,7 до 2,9.

Таблица.

Параметры МПФГ с ориентацией (111)

№ п/п	Под- ложка	Состав МПФГ	h, мкм	l, мкм	4πМs, Гс	μ, м/(с Э)	Vcт, м/с
1.	NGG	(Bi,Eu)3(Fe,Ga,Al)5O12	4.4	1.1	140	3.5	>1460
2.	GGG	(Bi,Er)3(Fe,Ga)5O12	8.2	0.72	232	1.5	>680
3.	GGG	(Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12	1.7	0.83	120	10.8	1180
4.	GGG	(Bi,Yb)3(Fe,Ga)5O12	9.5	0.48	128	1.65	180
5.	GGG	(Bi,Тb)3(Fe,Ga)5O12	6.6	0.20	277	0.43	316
6.	GGG	(Bi,Но)3(Fe,Ga)5O12	8.8	0.15	271	0.60	172
7.	SGG	(Bi,Dy)3(Fe,Ga)5O12	11.0	0.13	433	0.66	160
8.	GGG	(Bi,Gd,Tm)3(Fe,Ga)5O12	19.7	1.30	151	9.00	535

Здесь h- толщина пленки, l - характеристическая длина, 4πM_s – намагниченность насыщения, μ – начальная подвижность ДС, V_cт –скорость срыва стационарного движения ДС.

Литература

1. Дудоров В.Н., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В. Синтез и физические свойства монокристаллических пленок редкоземельных феррит-гранатов, УФН, 1977, т. 122, № 2, с. 253-293.

2. Владимир Рандошкин. Динамика однохиральных доменных стенок. Импульсное перемагничивание пленок феррит-гранатов. Lambert Academic Publishing, 2011, 400 с.

3. Le Craw R.C., Blank S.L., Vella-Coleiro G.P. New high-speed bubble garnet based on large gyronagnetic ratios. Appl. Phys. Lett., 1975, vol.26, N 7, p. 402-404.

4. Vella-Coleiro G.P., Blank S.L., Le Craw R.C. Influence of gyromagnetic ratio on magnetic domain wall dynamics. Appl. Phys. Lett., 1975, vol. 26, N 12, p. 722-724.

5. Ohta N., Ikeda T., Ishida F., Sugita Y. High g bubble garnets without containing Eu³⁺ ion. J. Phys. Soc. Japan. 1977, vol. 43, N 2, p. 705-706.

6. Зоря В.И., Зуева И.Ю., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б., Тимошечкин М.И. Скорость движения доменных стенок в пленках (Eu,Lu,Bi)₃(Fe,Ga,Al)₅O₁₂. ЖТФ, 1984, т. 54, № 7, с. 1381-1383.

7. Заболотная Н.В., Осико В.В., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б., Тимошечкин М.И. Пленки (Tm,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с высокой скоростью движения доменных стенок. Письма в ЖТФ, 1984, т. 10, № 13, с. 788-792.

8. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Экспериментальная проверка одномерной теории движения доменных стенок в одноосных ферромагнетиках. Письма в ЖЭТФ, 1985, т. 42, № 1, с. 34-37.

9. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Влияние температуры на динамику доменных стенок в пленках феррит-граната (Bi,Eu)₃(Fe,Ga,Al)₅O₁₂ вблизи точки компенсации момента импульса. ЖТФ, 1988, т. 58, № 12, с. 2350-2354.

10. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Влияние замещения ионов железа на динамические параметры Eu-содержащих пленок феррит-гранатов вблизи точки компенсации момента импульса. ФТТ, 1994, т. 36, № 12, с. 3493-3497.

11. Randoshkin V.V. Magneto-optical garnet films with high g-factor. Internat. Congr. on Opt. Sci. and Eng., 24-28 April 1989, Paris, France, рaper 1126-21.

12. Рандошкин В.В., Логунов М.В., Сажин Ю.Н., Чани В.И., Клин В.П., Шушерова Е.Э. (Eu,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с разной ориентацией вблизи точки компенсации момента импульса. Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, №4, с. 71-74.

13. Айрапетов А.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В., Чани В.И., Шушерова Е.Э. Пленки (Dy,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с повышенным гиромагнитным отношением. Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, № 4, с. 79-82.

14. Айрапетов А.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В., Чани В.И., Шушерова Е.Э. Свойства пленок (Ho,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с вблизи точки компенсации момента импульса. ФTT, 1992, т. 34, № 5, с. 1649-1651.

15. Рандошкин В.В. Зависимость скорости доменных стенок от магнитного поля в одноосных пленках феррит-гранатов с разным затуханием. ФТТ, 1995, т. 37, № 3, с. 652-659.

16. Айрапетов А.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В. Чани В.И. Пленки (Yb,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с повышенным гиромагнитным отношением. Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, № 2, с. 74-77.

17. Рандошкин В.В., Ефремов В.В., Логунов М.В., Сажин Ю.Н. Пленки (Tb,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с вблизи точки компенсации момента импульса. Письма в ЖТФ, 1993, т. 19, № 2, с. 28-32.

18. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Динамика доменных стенок в пленках (Bi,Er)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ вблизи точки компенсации момента импульса. ФТТ, 1987, т. 29,№ 9, с. 2658-2665.

19. Рандошкин В.В., Ефремов В.В., Шушерова Е.Э. Пленки феррит-граната состава (Bi,Eu,Gd)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с повышенной термостабильностью динамических параметров. Письма в ЖТФ, 1993, т. 19, № 2, с. 43-46.

20. Рандошкин В.В., Полежаев В.А., Сажин Ю.Н., Сысоев Н.Н., Дудоров В.Н. О магнитном поле, действующем на движущиеся доменные стенки в пленках феррит-гранатов (Yb,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂. Письма в ЖТФ, 2002, т. 28, № 14, с. 38-42.

21. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела: Пер. с англ., М.: Наука, 1978, 792 с.

22. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука, 1973, 592 с.

23. Wolf W.P., van Vleck J.H. Magnetism of europium garnet. Phys. Rev., 1960, vol. 118/ N 6, p. 149O-1492.

24. Myers S.M., Remeika J.P., Meyer H. Sublattice magnetization in europium iron garnet. Phys. Rev., 1968, vol. 170, N 2, p. 520-523.

25. Le Craw R.C., Remeika J.P., Matthews H. Angular momentum compensation in narrow linewidth ferrimagnetics. J. Appl. Phys., 1965, vol. 36, N 3, part II, p. 901-905.

26. Логинов Н.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В. О знаке эффективного значения гиромагнитного отношения в пленках феррит-гранатов вблизи точки компенсации момента импульса. ЖТФ, 1990, т. 60, № 9, с. 126-128.